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Lo stesso Thomson, cui si deve la scoperta degli elettroni (1897), propose un nuovo
modello per l’atomo.
Dato che gli elettroni non possono che trovarsi negli atomi...
visto, poi, che la materia è normalmente elettricamente neutra, l’atomo deve essere
neutro, quindi esso deve contenere una carica positiva tale da annullare quella negativa
degli elettroni.
Il modello proposto fu quello di una sfera piena, la cui matrice è uniformemente carica
positiva +, con al suo interno, disposti in modo omogeneo, gli elettroni carichi negativi –
(J. J. Thomson 1904).
Il modello appariva molto semplice, poco credibile, tanto
che negli ambienti scientifici fu «battezzato» con il nome
di modello a panettone con l’uvetta
α2+
Sempre alla fine del 1800, si era scoperto uno strano fenomeno legato a particolari
minerali: la radioattività (Becquerel, Curie).
Nel 1899 Rutherford dimostrò che alcune pietre radioattive (come i sali di l’uranio)
«emettono» spontaneamente particelle molto più pesanti dell’elettrone e aventi carica
doppia positiva: le particelle alfa (α2+).
Ideò un esperimento fondamentale per la comprensione della struttura dell’atomo.
Pose in un contenitore di piombo (blocca le radiazioni) dei frammenti di Pitchblenda (una
roccia minerale ricca di materiale radioattivo, principalmente polonio) emettenti raggi α2+.
Attraverso una fenditura (o foro), le
radiazioni venivano proiettati e
indirizzati contro un foglio (schermo)
rivestito di materiale scintillante
(brilla se colpito dalle particelle α2+).
Tale foglio era ricurvo a formare
quasi un cerchio davanti al foro.
Il raggio uscente incideva solo su
una zona centrale, molto
ristretta, del foglio: i raggi α
seguivano un percorso retto.
Ponendo di fronte alla fenditura, al centro del cerchio, un lamina d’oro sottilissima
(0,01 mm), si notarono segnali non solo nella zona centrale ristretta, ma anche
diffusamente (con percentuali molto basse) su tutta la superficie e non solo dietro, ma
anche davanti alla lamina d’oro, sebbene in percentuale bassissima.
Attraversando la lamina, alcune particelle α2+, quindi, venivano «deviate» rispetto al
percorso naturale e, circa una ogni 10.000, veniva addirittura respinta indietro dalla
lamina d’oro.
Il fenomeno era sorprendente.
Come lo stesso Rutherford dichiarò:
«è come se, sparando con un
cannone contro un foglio di carta,
ogni 10.000 proiettili uno viene
respinto indietro».
 Perché molte α2+ attraversano la
lamina indisturbate?
 Perché alcune vengono deviate?
 Perchè qualcuna addirittura
rimbalza indietro?
Per l’idea che si aveva della materia, essendo molto stipati tra loro (stato
solido), gli atomi d’oro formerebbero una rete a maglie molto strette.
Le particelle α2+, per passare oltre,
devono attraversare gli atomi.
Ora, se l’atomo fosse fatto secondo il
modello di Thomson…
…date le distribuzioni omogenee di
entrambe le cariche elettriche, ogni zona
dell’atomo risulterebbe neutra e tutte le
particelle α2+ passerebbero senza
disturbi significativi.
La realtà, invece, era ben diversa: si
registravano sempre apprezzabili deviazioni
divergenti e, in particolare, repulsioni.
Occorreva ammettere, perciò, che le cariche
elettriche non sono omogeneamente
distribuite.
Rutherford per mesi studiò il fenomeno, misurando le percentuali di particelle deviate e i
relativi angoli di deflessione nonché calcolando le forze che le producono.
Seguì diverse strade di indagine:
 Gli effetti d’urto tra corpi elettricamente positivi e un corpo neutro
 Gli effetti nelle interazioni tra corpi elettricamente positivi e un magnete
 Gli effetti nelle interazioni tra corpi elettricamente positivi e un corpo caricato
parimenti positivo
I suoi studi lo portarono a concludere che i valori degli angoli di deflessione delle
particelle α2+ sparate contro lamine d’oro, si possono avere solo se causati
dall’interazione con corpi carichi elettricamente positivi in cui la forza in gioco è
Fel=
Kel q1xq2
Forza elettrica o
di Coulomb
2
r
Si arrivò, così, a proporre una spiegazione
secondo la quale le particelle α2+ sono deviate e
respinte da una carica positiva addensata in
una zona ristretta al centro dell’atomo che
Rutherford stesso chiamò nucleo.
Si riuscì anche ad avere un’idea delle sue
dimensioni: da 1000 a 100.000 volte più
piccolo dell’intero atomo.
+
Alcuni mesi dopo l’esperimento con la lamina d’oro, lo stesso Rutherford con altri
colleghi, utilizzando un tubo di Crookes appositamente modificato e procedure
analoghe a quello di Thomson, dimostrò l’esistenza dei raggi anodici, raggi costituiti da
particelle cariche positivamente molto più pesanti degli elettroni e aventi un rapporto
q/m dipendente dal materiale gassoso nel tubo.
Anche la carica si rivelò variabile, ma sempre multipla di un valore assoluto pari a
quella trovata per i raggi catodici: si parlò, allora, della presenza nel nucleo di particelle
di carica positiva e pesanti (rispetto agli e- che chiamarono protoni.
Gli e- dei raggi catodici nel loro percorso urtano quelli degli atomi del gas in modo da
farli «fuggir via» lasciando cariche positive sulle particelle di gas (cationi).
Anodo
Catodo
I cationi vengono attratti dal catodo (-) e, attraversando il disco forato, urtano contro
l’estremità vetrosa del tubo di Crookes, provocando la fluorescenza verde (in questo caso
dalla parte del catodo)
Sempre Rutherford rilevò che la massa dei raggi anodici ottenuti utilizzando gas elio
non si accordava con il valore di carica positiva.
 Per la precisione si dimostrò che i nuclei di idrogeno hanno un solo protone
(singola carica positiva), mentre quelli di elio ne hanno due (doppia carica positiva).
 Tuttavia la massa dei raggi anodici di elio non risultò doppia rispetto a quelle
dell’idrogeno, bensì quadrupla (tra l’altro perfettamente uguale a quella dei raggi
α2+).
 Questo fatto portò Rutherford a ipotizzare l’esistenza, nel nucleo, di un terzo tipo di
particella: il neutrone,
 L’esistenza di tali particelle fu dimostrata da un certo Chadwick: hanno carica
elettrica nulla e massa paragonabile a quella dei protoni.
Teorizzata l’esistenza di un nucleo pesante positivo centrale, contenente protoni e neutroni,
occorreva proporre un nuovo modello per l’intero atomo.
 Gli elettroni, data la massa ridottissima, nonché la scarsissima influenza sui raggi α2+ ,
furono immaginati come particelle molto più piccole del nucleo e disposti attorno ad
esso.
 Data l’enorme differenza tra dimensioni del nucleo e quelle dell’atomo intero, per gli
elettroni rimaneva disponibile uno spazio molto ampio (in pratica dentro l’atomo c’è del
vuoto e per giunta grande!).
 L’enorme spazio vuoto attorno al nucleo ben si accordava con il fatto che la stragrande
maggioranza di particelle α2+ attraversava indisturbata la lamina d’oro
Questa «disposizione» nello spazio delle due diverse cariche elettriche
costituenti l’atomo era l’unica che poteva giustificare i risultati
dell’esperimento di Rutherford, ma poneva un nuovo problema:
Se hanno carica elettrica opposta al nucleo, perché
gli elettroni, molto più piccoli e più leggeri, si
mantengono a distanza e non vi precipitano, attratti
dalla forza di Coulomb?
La risposta di Rutherford era scontata:
Dato che la forza elettrica è analoga a quella gravitazionale…
…come i pianeti riescono a resistere all’attrazione del sole grazie alla forza centrifuga
dovuta al loro moto di rivoluzione …
…così gli elettroni resistono all’attrazione nucleare grazie ad un moto orbitale.
Fel=
- Kel q1xq2
r2
≈
Fg=
G m1xm2
r2
Il modello proposto da Rutherford venne proprio
indicato come
Modello Planetario.
Affermare che gli elettroni, negativi, sono separati dal nucleo, positivo, e vi orbitano
attorno non fu cosa «da poco».
 Se un corpo è soggetto ad una forza F che tende a farlo avvicinare (o allontanare), ma si
mantiene a distanza r, contiene energia potenziale
 Se un corpo è in moto, contiene energia cinetica
U=Fxr.
Ec =½ mxv2
Rutherford con il suo modello in cui piccolissimi corpi, gli elettroni, orbitano attorno al
nucleo, quindi, affermava che, oltre a massa e volume, l’atomo contiene energia, sia
cinetica che potenziale.
ET = U + Ec
Considerando l’atomo più semplice, l’idrogeno, per il quale si dimostrò l’esistenza di
un solo elettrone e-, quindi di un solo protone p+ avente pari valore di carica elettrica
(l’atomo è neutro), applicando le teorie fisiche classiche della meccanica (Newton) e
dell’elettromagnetismo (Maxwell), lo scienziato spiegò matematicamente il suo
modello planetario dell’atomo.
L’ e- (q2) , a distanza r dal nucleo + (q1),
è soggetto ad una forza di attrazione
Fel=
- Kel q1xq2
r2
(segno negativo =«attrazione»)
- Kel q2
L’ e- e il p+ hanno carica di pari valore assoluto quindi, posso scrivere Fel=
r2
Mantenendosi a distanza r, l’ e ha energia potenziale
Uel = Fel x r =
Fel _ Fc
+
q1
r
q2
V
- Kel q2
r2
X
r  Uel =
Fc = - Fel
Kel q2 Se moltiplico entrambi per ½ 
v2
- Kel q2
2
Quindi m x
 mxv =
r =2
r
r
2
2
K
q
K
q
el
Ma so che Ec = ½ m x v2 quindi  Ec = ½
 ½ m x v2 = ½ el
r
L’
r
L’ e- , per non «cadere» sul p+, si muove su un orbita a
distanza r e con velocità v .
Dato che la traiettoria è circolare, l’ e- subisce
2
v
accelerazione centripeta
ac = r
L’ e- , per 2° legge della dinamica, è soggetto ad una
forza, in questo caso è quella centrifuga 2
v
Fc = m x ac = m x r
Visto che l’e- mantiene costantemente la sua distanza dal p+ , le due forze risultano
e-
- Kel q2
r
risulterà, così, possedere due energie: quella potenziale Uel e quella cinetica Ec :
2
Kel q2
- Kel q2
K
q
el
ET = Uel + Ec = r + ½
r =-½
r
Grazie a questa energia, l’elettrone si mantiene a distanza dal nucleo.