La struttura dell'atomo
(parte prima)
Lezioni d'Autore
di Giorgio Benedetti
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L'atomismo di di Democrito
Basato su due argomenti fondamentali:
• il primo, l’accettazione dell’esistenza dello
spazio, che contiene in sé sia gli oggetti
immobili che quelli in movimento, e perciò può
essere sia pieno che completamente vuoto;
• il secondo che la divisione degli oggetti
macroscopici deve avere un limite che si
raggiunge quando si separano i componenti
ultimi della materia, particelle estremamente
piccole, solide, compatte, non ulteriormente
divisibili, e perciò chiamate atomi (dal greco àtomos, indivisibile).
La concezione di Aristotele
Alla concezione atomistica si contrappose quella
di Aristotele, per il quale:
• lo spazio doveva essere pieno di materia per
poter trasmettere gli effetti meccanici di
movimento da un corpo all’altro: dunque la
materia doveva avere una struttura continua,
potendo essere suddivisa all’infinito senza
perdere le sue caratteristiche
• esistevano quattro elementi fondamentali e
quattro qualità della materia
• gli elementi non sono considerati immutabili,
ma ciascuno può essere trasformato in qualsiasi
altro attraverso il mutamento di una o di tutte e
due le qualità
Epicuro
Il pensiero di Democrito ebbe anche numerosi
seguaci, fra i quali Epicuro, che introdusse nella
concezione atomistica alcune novità come ad
esempio:
• il peso degli atomi che li porta a cadere verso
il basso
Nel Medioevo prevale la concezione
aristotelica
Nel Medioevo, tre le due ipotesi,l'atomistica e
quella aristotelica, la seconda dai chimici.
Perché:
• si imponeva per la sua semplicità e completezza
• l’esperienza mostrava che nelle operazioni
chimiche una sostanza caratterizzata da una
determinata composizione e proprietà si
trasformava in un’altra di composizione e
proprietà diverse da quella di prima, e questo era
difficile da giustificare con l'esistenza di particelle
che mantenevano immutate le proprie
caratteristiche.
Nel XVII secolo l'atomismo riscoperto da
Gassendi
Al principio del XVII secolo le tesi atomistiche
acquistarono grande diffusione grazie all’attività
del filosofo Pierre Gassendi il quale, rifacendosi a
Epicuro, sosteneva che:
• la materia è discontinua e quindi costituita da
atomi che possiedono tre proprietà
caratteristiche: la forma, il peso, la dimensione,
proprietà che variano da atomo ad atomo
• le proprietà dei corpi sono in rapporto con le
forme degli atomi che li costituiscono: ad
esempio, corpi dal gusto piccante o amaro sono
costituiti da atomi appuntiti, corpi fluidi e dolci da
atomi arrotondati
R. Boyle rivaluta Gassendi
L’opera di Gassendi divenne patrimonio
della fisica e della chimica nei lavori di R.
Boyle e di I. Newton.
• Boyle, ad esempio, nel suo famoso libro
The Sceptical Chymist, espresse l’idea che
l’interazione chimica si realizzasse tra le
particelle di ogni elemento, chiamati da
lui “corpuscoli”, e che tutti gli elementi
fossero formati da tali particelle.
Newton rivaluta Gassendi
Newton, dal canto suo,
• ipotizzò che tutti i corpi macroscopici
fossero formati da particelle primordiali
tra i quali esistevano pori assolutamente
vuoti e che questi atomi fossero
minuscole sfere dominate da forze
attrattive e repulsive.
• unendosi tra loro queste particelle
formano insiemi di diversa complessità
che Newton chiama di primo, secondo ..
ultimo ordine le quali alla fine danno
forma alle sostanze comuni.
Fine XVIII secolo: dall'ipotesi filosofica
alla teoria scientifica
• Ciò fu possibile grazie all’integrazione
delle osservazioni qualitative dei fenomeni
chimici con più accurate misure
quantitative delle masse e dei volumi.
• Queste permisero di osservare le
regolarità numeriche nella composizione
delle sostanze e nei loro rapporti di
reazione.
La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (I)
• J. Dalton effettuò numerosi studi sulle
miscele gassose e sulla solubilità dei gas;
per spiegare i risultati ottenuti egli riprese il
modello particellare, secondo il quale
ciascun corpo semplice era costituito da
particelle microscopiche differenti.
• Egli utilizzò il termine atomo di Democrito
per indicare le particelle costituenti la
materia, ma a differenza di questi, egli
aggiunse anche la caratteristica del peso,
ritenuta invece poco importante dai filosofi
greci.
La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (II)
Nel 1808, Dalton formulò di una teoria atomica basata su
quattro postulati:
• ogni elemento è composto da particelle estremamente piccole
chiamate atomi;
• tutti gli atomi di un elemento sono identici ma atomi di
elementi diversi non possono trasformarsi in atomi di un altro
elemento durante una reazione chimica;
• gli atomi non sono né creati né distrutti e si trasferiscono
interi formando nuovi composti;
• atomi di elementi differenti si possono legare tra di loro
secondo rapporti diversi ma sempre mediante numeri semplici e
interi.
La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (III)
La teoria di Dalton era quindi in grado di
spiegare le diverse leggi delle combinazioni
chimiche conosciute:
• come la legge di conservazione della massa
di Lavoisier (postulato 3)
• la legge delle proporzioni definite di Proust
(postulato 4)
• questa teoria servì a Dalton per dedurre la
legge delle proporzioni multiple.
Guardare dentro l'atomo
• Alla fine dell’ottocento i dati sperimentali che
si andavano accumulando suggerivano l’idea
che l’atomo non fosse il costituente ultimo
della materia, ma che possedesse una
struttura più complessa formata da particelle
subatomiche.
• La scoperta delle particelle che costituiscono
l’atomo e i tentativi di chiarirne la natura ha
permesso di comprendere il comportamento
delle sostanze chimiche e di descriverne le
proprietà.
La scoperta dell'elettrone (I)
Gli studi riguardanti le proprietà
elettriche delle soluzioni di S.A.
Arrhenius e le leggi dell’elettrolisi
di M. Faraday portarono alla
conclusione dell’esistenza di unità
discrete di elettricità, prima
ancora che queste potessero
essere effettivamente isolate.
La scoperta dell’elettrone
avvenne grazie ad esperimenti
condotti sulla conduzione elettrica
attraverso i gas rarefatti,
utilizzando un dispositivo ideato
da W. Crookes.
La scoperta dell'elettrone (II)
Nel 1905 R. Millikan con un
esperimento riuscì a determinare
la carica elettrica dell’elettrone, e
quindi fu possibile ricavare il
valore della sua massa. Questo
esperimento, oltre a determinare
con grande precisione la carica
dell’elettrone, è importante
perché è la prima prova
sperimentale dell’esistenza di una
carica elettrica elementare e della
quantizzazione della carica
elettrica di un corpo.
La scoperta delle particelle cariche positive
• Nel 1886 Goldstein,
utilizzando un tubo a
raggi catodici con catodo
forato, rilevò la presenza
dietro al catodo di una
luminescenza provocata
da raggi che provenivano
in direzione opposta a
quelli catodici (raggi
canale). Egli dimostrò che
si trattava di particelle
positive.
Il modello 'a panettone' di Thomson
• Nel 1904 Thomson
propose un modello
atomico, detto modello “a
panettone”, nel quale gli
elettroni venivano
inglobati come “canditi” in
una matrice sferica di
carica positiva.
Gli studi sulla radioattività portano a un modello
atomico più accurato (I)
• Nel 1898 i coniugi Curie
scoprirono il radio, un
nuovo elemento che
emetteva dei raggi
cinquecento più intensi di
quelli dell'uranio. Questo
elemento era in grado di
emettere tre tipi di
radiazioni: i raggi alfa, i
raggi beta e i raggi
gamma.
Gli studi sulla radioattività portano a un modello
atomico più accurato (II)
Il fatto che un atomo, oltre ad espellere elettroni, fosse in
grado di emettere anche particelle positive dimostrava che la
sua struttura non era uniforme, come supposto da Thomson,
ma doveva contenere tali particelle.
L'esperimento di Rutherford
Nel 1911 Rutherford realizzò un celebre esperimento insieme ai
suoi collaboratori H.W. Geiger e E. Marsden, in cui una
sottilissima lamina di oro veniva bombardata con raggi alfa
emessi da una sorgente radioattiva.
L’osservazione delle
scintillazioni prodotte
su uno schermo
fluorescente posto
dietro alla lamina
mostrò risultati
sorprendenti e
incompatibili con il
modello atomico di
Thomson.
Il 'modello planetario' di Rutherford
• Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford, elaborò un
modello atomico detto modello planetario, secondo il quale
l’atomo è formato da un nucleo positivo in cui è concentrata la
maggior parte della massa, attorno a cui ruotano, a grande
distanza, gli elettroni negativi.
• Questo modello spiegava i dati sperimentali, infatti, poiché le
particelle positive alfa nella maggior parte dei casi non
incontravano alcun ostacolo, attraversavano la lamina d’oro
senza subire deviazioni. Nei rari casi in cui le particelle
passavano vicino al nucleo positivo subivano deflessioni tanto
maggiori quanto più queste si avvicinavano al nucleo.
I difetti del 'modello planetario' di Rutherford
• Il modello è in disaccordo con le leggi dell’elettromagnetismo
che prevedono per ogni particella carica in moto accelerato la
perdita di energia per irraggiamento di onde elettromagnetiche.
• L’atomo presenta proprietà che non possono essere presenti
in un sistema planetario. Infatti tutti gli atomi di una stessa
sostanza sono uguali e pertanto se l’atomo fosse come un
sistema solare in miniatura sarebbe improbabile trovare atomi
uguali.
• L’insuccesso del modello planetario, risiede nel fatto che
l’interpretazione dei fenomeni atomici, a causa delle dimensioni
infinitamente piccole, richiede un cambiamento radicale dei
concetti che stanno alla base della fisica classica.
FINE
