Modelli atomici
classici
La struttura interna dell’atomo
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I dati sperimentali che si andavano accumulando durante
l'Ottocento suggerivano che l’atomo non fosse in realtà il
costituente ultimo della materia (elementare), ma che
possedesse una struttura interna costituita di particelle
elettricamente cariche.
I primi indizi si ebbero con la scoperta dell’elettrone e la
constatazione che tale particella poteva essere estratta da
qualsiasi tipo di atomo e doveva pertanto essere considerata
un costituente comune di tutti gli atomi.
La struttura interna dell’atomo
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La scoperta dell’elettrone e di molte altre caratteristiche
strutturali degli atomi avvenne grazie a una serie di
esperimenti condotti sulla conduzione elettrica
attraverso i gas rarefatti, mediante un’apparecchiatura
ideata da William Crookes (tubo di Crookes o tubo di
scarica).
Tubo di Crookes
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È costituito da un tubo di vetro alle cui estremità sono saldati
due elettrodi metallici collegati con un generatore di corrente
continua
All’interno l’aria viene sostituita con un gas qualsiasi che viene
sottoposto a una diminuzione di pressione (pompa del vuoto)
Tubo di Crookes
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Finché la pressione è superiore a 0,4 atm tra i due elettrodi si
producono normali scariche elettriche simili ai fulmini
atmosferici.
Per pressioni inferiori (10 – 2 atm) il gas inizia a emettere luce il
cui colore dipende dal tipo di gas (eccitazione).
Con p < 10 – 6 atm il gas si spegne e il
vetro dietro all’anodo emette una
debole fluorescenza.
Il fenomeno fu messo in relazione con
radiazioni prodotte dal catodo (raggi
catodici = fasci di elettroni)
Raggi catodici
evidenze sperimentali
Le esperienze effettuate sui raggi catodici dimostrarono che
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Sono radiazioni corpuscolari e quindi possiedono massa
(sono capaci di muovere un mulinello a pale).
Raggi catodici
evidenze sperimentali
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viaggiano in linea retta dal catodo all’anodo (corpi interposti
danno ombra).
Raggi catodici
evidenze sperimentali
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Hanno carica elettrica (fanno divergere le foglie d’oro di un
elettroscopio) negativa (sono attratte dal polo positivo di
un campo elettrico).
Raggi catodici
evidenze sperimentali
Hanno una massa e una carica elettrica costante e
indipendente dal tipo di atomo da cui provengono (non
variano al variare del metallo costituente il catodo e del
tipo di gas contenuto nel tubo)
I raggi canale
Goldstein - 1886
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Nel 1886 Goldstein, usando un tubo di Crookes con catodo
forato, rilevò dietro al catodo, una luminescenza provocata da
radiazioni con movimento opposto a quello dei raggi catodici.
Egli dimostrò che si trattava di particelle cariche
positivamente (raggi canale).
I raggi canale
Goldstein - 1886
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Poiché la massa di tali particelle era diversa a seconda del gas
contenuto nel tubo, si ritenne, correttamente, che i raggi canale
fossero formati da cationi generati dall’urto degli elettroni della
radiazione catodica con gli atomi di gas.
La materia appariva dunque formata da una frazione positiva
massiccia caratteristica di ciascun atomo, neutralizzata da
particelle negative di piccola massa (elettroni) comuni a tutti gli
atomi
Esperimento di Thomson – 1897
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Nel 1897 J. J. Thomson, applicando a un fascio di raggi
catodici un campo elettrico e un campo magnetico
perpendicolari tra loro e al fascio in modo da annullarne gli
effetti, fu in grado di calcolare il rapporto tra la carica elettrica
e la massa dell’elettrone.
Il rapporto carica-massa Qe/me risultò 1,759·108 C/g
Esperimento di Thomson – 1897
L’esperimento condusse a due fondamentali conclusioni:
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Il valore trovato era indipendente dalla natura chimica del
catodo emittente e dal tipo di gas. Gli elettroni sono identici da
qualunque tipo di materiale provengano e vanno considerati
come costituenti universali degli atomi
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Il valore risultava 1836 volte maggiore del corrispondente
rapporto carica-massa dello ione idrogeno, misurato tramite
elettrolisi da Faraday QH/mH = 9,579·104 C/g. Nell’ipotesi che
|Qe|=|QH|
Esperimento di Thomson
Conclusioni
Gli elettroni sono presenti identici in tutti gli atomi e ne
costituiscono una frazione minima della massa, essendo
1836 volte più leggeri dell’Idrogeno, il più leggero degli
atomi.
La Radioattività
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Nel 1896 Henri Becquerel, notando che dei Sali di Uranio
avevano la capacità di impressionare lastre fotografiche
protette, scoprì casualmente la radioattività dell’Uranio.
Le sue ricerche vennero proseguite dai coniugi Curie e poi da
Rutherford, il quale per primo nel 1898 riconosce le
radiazioni da lui chiamate α (alfa) e β (beta), emesse da
elementi radioattivi.
La Radioattività
Pochi anni più si scoprì (tardi P. Villard) che tra le radiazioni
emesse da una sostanza radioattiva ve ne sono di un terzo
tipo, chiamate γ (gamma), che si riconoscono simili ai raggi X.
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Gli esperimenti di deflessione in campi elettrici dimostrarono
che la radiazione α è positiva (nuclei di Elio), la radiazione β
negativa (elettroni), mentre la radiazione γ è neutra
(elettromagnetica)
Il modello a panettone di Thomson
1904
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Agli inizi del '900 vi erano sufficienti elementi sulla
struttura dell’atomo per formulare un modello atomico
coerente.
Nel 1904 J.J. Thomson ipotizzò che gli atomi
possedessero una struttura compatta, costituita da una
massa carica positivamente uniformemente
distribuita, all'interno della quale erano presenti i
minuscoli elettroni, carichi negativamente, in numero tale
da determinare l'equilibrio delle cariche e quindi la
neutralità (modello a panettone)
Il panettone di Thomson
Rutherford e i decadimenti α e β
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Nel 1904 Rutherford dimostrò che durante l’emissione delle
radiazioni alfa e beta (decadimenti), l’elemento radioattivo si
trasforma in un elemento di peso e numero atomico diverso
(trasmutazione in un altro elemento chimico).
Durante un decadimento α un nucleo radioattivo (instabile)
emette un nucleo di Elio (radiazione α) e si trasforma (o
decade) nell'elemento che lo precede di due posti nella
tabella periodica a causa della perdita di due protoni (e due
neutroni).
Thomson e la scoperta degli isotopi
1907
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Sottoponendo i raggi canale a condizioni sperimentali simili a
quelle a cui aveva sottoposto gli elettroni per determinarne il
rapporto e/m, Thomson scoprì che i cationi di uno stesso
elemento venivano deviati su traiettorie diverse.
Thomson ipotizzò correttamente che i raggi canale fossero
costituiti da atomi dello stesso elemento con massa diversa
(isotopi).
È inoltre possibile calcolare le percentuali dei vari isotopi in
base all’annerimento relativo della lastra fotografica che vanno
a colpire.
Thomson e la scoperta degli isotopi
1907
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Lo strumento utilizzato da Thomson è sostanzialmente
analogo all’attuale spettrografo di massa che permette
oggi di «pesare» le sostanze chimiche.
Esperimento di Millikan – 1909
la carica dell’elettrone
Millikan nebulizzò dell’olio tra le due armature di un condensatore e
caricò negativamente le gocce tramite esposizione a raggi X.
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Variando l’intensità E del campo elettrico eguagliò la forza elettrica alla forza
peso di una goccia (la goccia rimaneva sospesa) Eq = mg
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Stimò così la carica elettrica q di molte gocce
verificando che essa era sempre un
multiplo intero di una quantità elementare
pari 1,6·10 – 19 C, carica che ipotizzò
appartenere all’elettrone.
Nota la carica dell’elettrone e il rapporto
e/m fu quindi possibile ricavare il valore
assoluto della massa dell'elettrone me =
9,1·10 – 28 g e quella dell’atomo di Idrogeno
mH = 1836 me (e quindi dell’u.m.a.).
Rutherford e i decadimenti α e β
• Durante un decadimento β un nucleo radioattivo si trasforma,
o decade, nell’elemento che lo segue di un posto nella tabella
periodica, a causa della trasformazione di un neutrone del suo
nucleo in un protone (che rimane nel nucleo), un elettrone
(radiazione β) e un antineutrino che si allontanano dal nucleo.
Esperimento di Rutherford – 1911
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Per chiarire la reale distribuzione delle cariche positive e negative
che costituiscono l’atomo è possibile studiare gli effetti di
deflessione (scattering o diffusione) che queste producono su
particelle-proiettile dotate di carica.
Tale tecnica, divenuta oggi molto comune, fu utilizzata per la
prima volta da Rutherford, il quale bombardò un sottile foglio
d’oro con particelle .
Esperimento di Rutherford – 1911
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Il loro comportamento risultò sorprendente e incompatibile con il
modello di Thomson il cui atomo, complessivamente neutro, non
avrebbe dovuto produrre interazioni elettriche e quindi le
deviazioni osservate.
L’esperienza suggerisce che la struttura atomica sia estremamente
rarefatta e che la diffusione sia provocata dalla repulsione tra
particelle alfa incidenti e una carica positiva estremamente
concentrata.
Il modello planetario di Rutherford
1911
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Per giustificare i risultati dei suoi esperimenti, Rutherford
propose dunque un nuovo modello atomico, detto modello
planetario con gli elettroni che andavano a costituire una
specie di corteccia esterna al massiccio nucleo positivo.
Per non cadere nel nucleo attirati dalla carica positiva in esso
presente gli elettroni negativi dovevano possedere energia
cinetica.
Il modello planetario di Rutherford
1911
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Da calcoli effettuati sulle percentuali e sugli
angoli di deviazione, Rutherford giunse a
calcolare che, mentre l’atomo doveva
possedere un diametro dell'ordine di 10 –10
m, il nucleo avrebbe dovuto presentare un
diametro dell'ordine di 10 –14 : 10 –15 m.
Problemi del modello planetario
• Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo dovrebbero perdere
energia cinetica sotto forma di emissione di radiazione
elettromagnetica, come previsto dalle leggi dell’elettrodinamica,
finendo per cadere sul nucleo.
• Inoltre gli atomi, in opportune condizioni, sono in grado di
emettere e assorbire radiazione elettromagnetica secondo
modalità che il modello planetario di Rutherford non era in grado
di giustificare.
• Fu pertanto necessario introdurre un nuovo modello atomico.
Ma prima di parlarne è necessario affrontare, sia pur brevemente,
il problema della natura della radiazione elettromagnetica e dei
fenomeni di interazione che essa manifesta con la materia.
