L`atomo

L’atomo
L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche
dell'elemento stesso.
L'atomo è formato da elettroni che si muovono attorno a un nucleo composto (in uno schema
molto semplificato) da protoni e neutroni. Nel nucleo è quasi del tutto concentrata la massa
dell'atomo. Gli atomi sono particelle piccolissime, il loro diametro si misura in Angstrom Å
(1Å=10-10m).
Il numero di protoni di un atomo corrisponde al numero atomico, mentre la somma tra numero
di protoni e numero di neutroni corrisponde al numero di massa. Gli elettroni esterni al nucleo,
sono numericamente uguali al numero di protoni.
Le sostanze semplici, o elementi, sono costituiti da atomi della stessa specie; le sostanza
composte, o composti, da atomi di specie diverse, ma sempre in rapporti numerici ben definiti e
generalmete semplici.
Più atomi legati tra loro formano le molecole.
L'atomo nella storia
Il concetto di atomo come particella indivisibile (da cui il nome, derivato da greco) venne
elaborato nell'antichità in ambito filosofico (Leucippo e Democrito, V-IV a.C.); assunse in seguito
il carattere di ipotesi e poi di teoria scientifica con la scoperta delle leggi ponderali (fine XVIII
secolo e inizi XIX secolo) .
Nella seconda metà del XIX secolo, principalmente con J.C. Maxwell e L. Boltzmann, si sviluppa
la teoria cinetica dei gas che, per la prima volta, interpreta fenomeni fisici macroscopici
(pressione, temperatura, ecc.) mediante semplicissime ipotesi sulla struttura atomica della
materia. La cristallografia induce a supporre che anche le proprietà dei solidi possano tovare una
spiegazione nella loro struttura atomica, in questo caso perfettamente regolare.
Alla fine del secolo XIX le scoperte dell'elettrone e della radioattività aprono la via allo studio
della struttura dell'atomo e del suo legame con la spettroscopia.
Agli inizi del XX secolo sono ormai tantissimi i fenomeni in cui l'atomo interviene come elemento
essenziale. Per giustificarne altri, invece, nasce la teoria dei quanti e viene applicata alla
struttura dell'atomo. Nascono in questi anni anche i primi modelli atomici. Il primo (1904) fu il
modello atomico proposto da J.J. Thomson. Il secondo (1911) è il modello atomico proposto da
E. Rutherford.
Con la scoperta della radioattività naturale, si intuì successivamente che gli atomi non erano particelle
indivisibili, bensì erano oggetti composti da parti più piccole. Nel 1902, Joseph John Thomson propose il
primo modello fisico dell'atomo, successivamente alle sue ricerche sul rapporto tra la massa e la carica
dell'elettrone. Egli immaginò che un atomo fosse costituito da una sfera fluida di materia caricata
positivamente (protoni e neutroni non erano stati ancora scoperti) in cui gli elettroni (negativi) erano
immersi (modello a panettone, in inglese plum pudding model o modello ad atomo pieno), rendendo
neutro l'atomo nel suo complesso.
Esperimento di Rutherford
Attraverso questo esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta la
massa dell'atomo fosse concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (caricato
positivamente) e gli elettroni gli ruotassero attorno così come i pianeti ruotano attorno al Sole
(modello planetario). L'atomo era comunque largamente composto da spazio vuoto, e questo
spiegava il perché del passaggio della maggior parte delle particelle alfa attraverso la lamina. Il
nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relativamente enormi,
aventi un diametro da 10.000 a 100.000 volte maggiore di quello del nucleo. Rutherford intuì che i
protoni da soli non bastavano a giustificare tutta la massa del nucleo e formulò l'ipotesi
dell'esistenza di altre particelle, che contribuissero a formare l'intera massa del nucleo. Nel
modello atomico di Rutherford non compaiono i neutroni, perché queste particelle furono
successivamente scoperte da Chadwick nel 1932.
Il modello di Rutherford aveva incontrato una palese contraddizione con le leggi della fisica
classica: secondo la teoria elettromagnetica, una carica che subisce una accelerazione emette
energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Per questo motivo, gli elettroni dell'atomo di
Rutherford, che si muovono di moto circolare intorno al nucleo, avrebbero dovuto emettere onde
elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, annichilire nel nucleo stesso (teoria del collasso),
cosa che evidentemente non accade. Inoltre un elettrone, nel perdere energia, potrebbe
emettere onde elettromagnetiche di qualsiasi lunghezza d'onda, operazione preclusa nella teoria e
nella pratica dagli studi sul corpo nero di Max Planck (e successivamente di Albert Einstein). Solo la
presenza di livelli di energia quantizzati per quanto riguarda gli stati degli elettroni poteva spiegare
i risultati sperimentali: la stabilità degli atomi rientra nelle proprietà spiegabili mediante la
meccanica quantistica, crescenti col numero atomico degli elementi secondo incrementi dei tempi
di stabilità via via decrescenti (regola dell'ottetto e regola dei 18 elettroni).
Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:


Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo
Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo, che, allo stato neutro, corrisponde al
numero di elettroni esterni ad esso.
Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico.
Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita peso atomico (più correttamente
"massa atomica"), espresso nel SI in unità di massa atomica (o uma), dove una unità di massa
atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C). Il numero
degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le
predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo è normalmente elettricamente neutro e
pertanto la materia è normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi che perdono o
acquistano elettroni, ad esempio in virtù di una reazione chimica: l'entità che ne deriva si chiama
ione; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa.
Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprietà chimiche: si è dunque
convenuto a definirli appartenenti allo stesso elemento.
Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale ma diverso numero di
massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprietà chimiche. Ad esempio
l'atomo di idrogeno ha più isotopi: in natura infatti esso è presente in grande maggioranza come
1H (formato da un protone ed un elettrone) e in minore quantità da 2H (o deuterio, che è formato
da un protone, un neutrone ed un elettrone) e 3H (o trizio, estremamente raro, formato da un
protone, due neutroni ed un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio
presentano identiche proprietà.