lez.7 - la struttura atomica

Struttura dell’atomo
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L’atomo è divisibile
I primi a parlare di “atomi” furono i greci ed in particolar modo Democrito. Egli affermava
che l’atomo fosse una particella indivisibile; la parola atomo. Infatti, introdotta da Leucippo
deriva dal greco “átomos” e significa indivisibile. Successivamente i fisici hanno scoperto che
l’atomo è costituito in realtà da oltre cento particelle subatomiche: di conseguenza l’atomo
non è indivisibile e non è la particella più piccola della materia.
Questo fu dimostrato tramite
I raggi catodici
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La radioattività
Si propagano in linea retta
Sono costituiti da qualcosa Sono costituiti da qualcosa
Dotato di massa
Dotato di carica negativa
Se si mette una croce di Malta
Sulla traiettoria dei raggi, sul
Vetro del tubo si staglia
L’ombra netta della croce.
Se si mette sulla traiettoria
Dei raggi un mulinello a pale
Questo incomincia a girare
Colpito dai raggi.
Se si pongono due piastre
Cariche elettricamente di
Segno opposto, il fascio di
Raggi devia da suo percorso.
Ombra netta si forma solo
Con raggi che si propagano
In linea retta.
I raggi sono quindi costituiti
Da “entità” dotate di massa.
Dal momento che vengono
Attratti dalla piastra positiva
E respinti da quella negativa,
I raggi sono costituiti da
Particelle cariche negativamente.
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In natura esistono elementi capaci di emettere spontaneamente radiazioni.
Gli esperimenti effettuati su tali elementi (ad esempio il radio) mostrarono che
Le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive sono di 3 tipi. Per distinguerle è
Sufficiente far passare un fascio di radiazioni attraverso un forte campo
magnetico.
β
γ
+
α
• Raggi α (alfa): costituiti da particelle con carica positiva
-
• Raggi β (beta): costituiti da particelle con carica negativa
• Raggi γ (gamma): costituiti da particelle con carica neutra
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Nuove immagini sull’atomo
Queste scoperte cambiarono radicalmente l’immagine dell’atomo,
perché:
• ESISTONO PARTICELLE PIU’ PICCOLE DELL’ATOMO
Perciò l’atomo non è il più piccolo costituente della materia
• ALCUNI ATOMI POSSONO EMETTERE PARTICELLE
Ciò dimostra che gli atomi contengono particelle più piccole
al loro interno, quindi hanno una struttura complessa
• LE PARTICELLE EMESSE SONO DOTATE DI CARICA ELETTRICA
Ciò dimostra che l’elettricità è una caratteristica della
materia
Inoltre, dato che l’atomo è normalmente neutro, è evidente che,
All’interno dell’atomo, cariche positive e negative devono bilanciarsi.
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I modelli atomici
Stabilito che l’atomo è costituito da particelle
Più piccole si poneva il problema di come
Fossero organizzate queste particelle.
1899
MODELLO DI THOMSON
1913
MODELLO DI BOHR
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Per questo motivo
Nascono i primi
1911
MODELLO DI RUTHERFORD
1925
MODELLO DI SCHRODINGER
Il primo modello proposto, quello di Thomson , prevedeva che gli elettroni fossero distribuiti uniformemente in
una sfera positivamente carica. Rutherford comprese invece che la carica positiva doveva essere concentrata al
centro dell’atomo (nel nucleo), e gli elettroni orbitare nello spazio circostante. Bhor andò oltre, introducendo il
Questa
riassume
il processo
nellol’idea
studio
dei elettronica
modelli
concetto ditabella
quantizzazione
delle orbite
elettroniche;evolutivo
Schrodinger,avvenuto
infine, rivoluzionò
di orbita
intendendolaOra
non prenderemo
più come la traiettoria
fisicamente
percorsa dall’elettrone,
Atomici.
in esame
ciascuno
di questi. ma come regione dello spazio che
possiede la più alta probabilità di essere occupata dall’elettrone.
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Thomsom, basandosi su una vecchia idea di Lord Kevin, ipotizzò che l’atomo avesse
una struttura omogenea, con la massa e la carica positiva distribuite
omogeneamente in tutto lo spazio dell’atomo, e gli elettroni inserite all’interno
come particelle individuali distribuite in modo uniforme.
Questo modello non fu però ritenuto valido dalle prove sperimentali condotte
Da Rutherford, Geiger e Marsden.
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Ernest Rutherford compì esperimenti di diffusione di particelle α su atomi di oro
e concluse che in un atomo la carica positiva e quella negativa non possono
essere distribuite in modo uniforme, come previsto dal modello di Thomson.
Egli propose quindi che la carica positiva, come la maggior parte della massa, si trovi
concentrata in uno spazio ridotto al centro dell’atomo (il nucleo) e che gli elettroni
vi ruotino intorno come i pianeti intorno al sole.
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L’atomo del modello planetario
L’atomo è costituito da un nucleo, nel quale sono concentrate la
masse e la carica positiva, e dagli elettroni che si trovano intorno al
nucleo e occupano la quasi totalità del volume dell’atomo
PARTICELLE
CARICA
MASSA
In unità di e
In u.m.a.
Protoni
+1
1
Neutroni
0
1
Elettroni
-1
1/1823
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Le Dimensioni degli Atomi
• Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m.
• Il nucleo ha un diametro di circa 10-15 m.
• Se il nucleo fosse delle dimensioni di una mosca e
stesse al centro del cerchio di centrocampo, gli
elettroni starebbero in Curva Nord.
• Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del
nucleo, gli oggetti si contrarrebbero di 105 volte
conservando la stessa massa.
• L’Everest diventerebbe una montagna alta 8 cm.
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Numero atomico e numero di massa
NUMERO ATOMICO: Il numero dei protoni, uguale a quello degli elettroni, è
Chiamato numero atomico ( Z ). Questo numero è caratteristico di ogni elemento
E viene scritto in basso a sinistra del simbolo chimico.
7N
Z = Numero atomico
NUMERO DI MASSA: Il numero di massa ( A ) è uguale alla somma dei protoni
E dei neutroni contenuti nel nucleo. Viene scritto in alto a sinistra del simbolo
Chimico.
12C
A = Numero di massa
A = protoni + neutroni
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Isotopi
• Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che
possiedono un numero di neutroni differente. Gli
isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero
atomico (Z) ma differente numero di massa (A).
Esempio: 12C, 13C e 14C sono tutti e tre isotopi del
carbonio.
• Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse
proprietà chimiche.
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Isotopi dell’idrogeno
La forma isotopica più abbondante dell'idrogeno (prozio) è
costituita da un solo protone intorno al quale orbita un unico
elettrone. Ne esistono però altre due: il deuterio, che ha un
neutrone nel nucleo, e il trizio, che ne ha due.
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ELEMENTI RADIOATTIVI
• RADIOATTIVITA’: fenomeno attraverso il quale alcuni
elementi con nuclei instabili emettono radiazioni,
trasformandosi in un nucleo di un elemento diverso, stabile
(processo di DECADIMENTO RADIOATTIVO ).
• Tutti gli elementi naturali con numero atomico superiore a
83 sono radioattivi (anche alcuni isotopi con Z inferiore)
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IL DECADIMENTO RADIOATTIVO
Il decadimento radioattivo può avvenire per emissione di
radiazioni di 4 tipi:
1.
Radiazioni a formate da nuclei di elio (2
protoni e 2 elettroni)
2.
Radiazioni b formate da positroni ad elevata E
3.
Radiazioni b- formate da elettroni ad elevata E
4.
Radiazioni g elettromagnetiche ad alta E
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IL DECADIMENTO RADIOATTIVO
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IL TEMPO di DIMEZZAMENTO
Il tempo richiesto perché metà di un campione radioattivo decada viene detto vita
media. Il carbonio 14, per esempio, usato per determinare l'età di materia una volta
organica (vivente), ha una vita media di 5730 anni. In tal modo se in origine in un
osso ci fosse stato una quantità x di carbonio 14, 5730 anni dopo ce ne sarebbe solo
x/2, e dopo altri 5730 anni ne rimarrebbe x/4, e ancora, dopo altri 5730 anni ne
rimarrebbe x/8 e così via.
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Stabilità dei Nuclei
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Energia Nucleare
La curva indica che, per elementi più leggeri del Fe, andando da nuclei leggeri
verso nuclei più pesanti il difetto di massa aumenta.
Un aumento si nota anche, per elementi più pesanti di Fe, se si trasformassero
nuclei più pesanti in nuclei più leggeri.
Si possono, pertanto, ipotizzare due processi
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Fusione Nucleare
2
2 H 
H
+
1
1
4
2He
Massa 42He - 2 x Massa 21H = 0,03037 uma
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Fissione Nucleare
235
Energia liberata
1 n  90 Br +
U
+
92
0
35
143
1 n
La
+
3
57
0
==> 1,8x1013 J per mole di U
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Fissione nucleare
Il nucleo atomico usato a questo scopo è l’Uranio 235 che è particolarmente instabile.
Contro un nucleo di uranio, viene sparato un neutrone. Colpito dal neutrone, il nucleo si
scinde in due nuclei più piccoli, il cripto, il bario e due o tre neutroni. La massa dei
prodotti di fissione, cioè i due nuclei più piccoli e i due o tre neutroni, non è uguale a
quella dell’atomo originale: una parte della massa si è trasformata in energia. I neutroni
emessi bombardano altri atomi di uranio con lo stesso risultato precedente . Si ha così
una reazione a catena che se incontrollata è esplosiva come nella bomba atomica. Nel
reattore nucleare la reazione a catena viene rallentata; l’energia prodotta viene convertita
in altre forme di energia ( termica, elettrica ecc.). Come prodotto di rifiuto si hanno le
scorie nucleari, atomi radioattivi che impiegano 4 miliardi di anni per diventare stabili.
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L’elettrone è “inafferrabile”
Le ricerche sulla meccanica quantistica
del ventesimo secolo hanno portato
a superare l’idea di concepire
l’elettrone come una particella in
movimento su traiettorie intorno al
nucleo
La teoria della meccanica quantistica descrive i sistemi come una sovrapposizione di
stati diversi e prevede che il risultato di una misurazione non sia completamente
arbitrario, ma sia incluso in un insieme di possibili valori: ciascuno di detti valori è
abbinato a uno di tali stati ed è associato a una certa probabilità di presentarsi come
risultato della misurazione
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Orbitali
La meccanica quantistica prevede che non
sia possibile associare
contemporaneamente ad una
particella una posizione ed una
quantità di moto ben definita (Principio
di Indeterminazione di Heisenberg).
Il concetto di orbita di un elettrone è
sostituito da quello di orbitale, di
traiettoria entro la quale è massima la
probabilità di trovare una particella
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Orbitale atomico
un orbitale atomico viene approssimato con quella regione di spazio attorno
al nucleo atomico in cui la probabilità di trovare un elettrone è massima
(massima densità di probabilità) ed è delimitata da una superficie
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La configurazione elettronica
Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni. Gli orbitali vengono
riempiti partendo da quelli ad energia minima (stato fondamentale) e
riempiendo, via via, quelli ad energia superiore; se sono presenti degli
orbitali degeneri (ovvero diverse distribuzioni spaziali a parità di livello
energetico, come ad esempio i tre orbitali p) gli elettroni si distribuiscono
preferenzialmente in modo da occuparne il maggior numero.
La disposizione degli elettroni negli orbitali atomici costituisce la
configurazione elettronica di un atomo, dalla quale dipendono la
reattività, la valenza e la geometria delle molecole che questi va a
comporre.
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Livelli energetici e configurazione elettronica
ESEMPI
idrogeno: 1 elettrone
nell'orbitale 1s -> 1s1 con
un elettrone spaiato, è in
grado di formare un
legame semplice con gli
altri atomi
elio: 2 elettroni nell'orbitale 1s
-> 1s2 non ha elettroni
spaiati, non è in grado di
formare legami con gli altri
atomi
azoto: 2 elettroni nell'orbitale
1s, 2 nel 2s, 3 nel 2p -> 1s2
2s2 2p3 con tre elettroni
spaiati - uno in ogni
orbitale 2p - è in grado di
formare tre legami
(ammoniaca: NH3)
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