Presentazione di PowerPoint - Digilander

I MODELLI ATOMICI
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John Dalton (1808)
Joseph John THOMSON (1903)
Ernest RUTHERFORD (1911)
Niels Henrik BOHR (1913)
Perché è importante conoscere la
struttura dell’atomo?
Per comprendere e
prevedere le
proprietà chimiche
degli elementi
Come è possibile ottenere
informazioni
sulla struttura atomica?
In base al
comportamento
macroscopico della
materia
Modello di J. Dalton (1808)





la materia costituita da particelle piccolissime
indivisibili = ATOMI (Democrito 400 a.C.);
gli atomi di uno stesso elemento sono uguali;
gli atomi di elementi diversi, hanno massa e
proprietà diverse;
Le trasformazioni chimiche avvengono tra atomi
interi;
Atomi diversi possono combinarsi tra loro in
rapporti diversi.
L’atomo è indivisibile ?
NO
SCOPERTA delle PARTICELLE SUBATOMICHE
Le particelle fondamentali:
 ELETTRONE: 1897 (Thomson)
 PROTONE: 1900 (Goldstein, Wien, Thomson)
 NEUTRONE: 1932 (Chadwick)
MA…
ce ne sono molte altre ancora…





Utilizzo di tubi inventati da W. Crookes:
tubi di vetro
due lamine metalliche (elettrodi)
• CATODO è NEGATIVO (-)
• ANODO è POSITIVO (+)
generatore di elettricità (passaggio di corrente)
gas
pompa a vuoto (per creare il vuoto o abbassare la
pressione del gas)




Passaggio di corrente
Bagliore caratteristico del tipo di gas
Fascio di raggi provenienti dal CATODO
A pressione bassissima (10-6 atm)
luminescenza verde sul vetro
RAGGI CATODICI
COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI
Creano ombra
Muovono palette
COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI
Sono deviati verso la piastra positiva
RAGGI CATODICI: caratteristiche
 ombra croce di Malta 
 movimento di un mulinello

Si propagano in linea retta
Sono dotati di una certa
massa
 deviazione verso una piastra
caricata positivamente
Hanno carica elettrica

negativa
Come vennero chiamati?
Non dipendono dal tipo
di metallo costituente il
catodo né dal tipo di
gas utilizzato
ESPERIMENTO di THOMSON (1897)
Thomson:
• sottopose raggi catodici a campo elettrico e magnetico
• misurò la deviazione che i raggi subivano
• determinò così il valore del RAPPORTO tra la carica e la
massa delle particelle costituenti i raggi catodici (q/m)
q/m = -1,76·108 coulomb/grammi
• ottenne sempre lo stesso valore indipendentemente dalla
natura del catodo e del gas utilizzato
sono particelle fondamentali della materia
ELETTRONI
Tubo a raggi catodici di Thomson
per misurare il rapporto carica/massa dell’elettrone
1 effetto della sola alta tensione (linea retta)
2 effetto del magnete (curvatura verso il basso)
3 effetto di piastre (curvatura verso la piastra positiva)
IL PROTONE
La materia in genere è elettricamente neutra
IPOTESI
Se ci sono particelle elettricamente NEGATIVE
ci saranno anche particelle elettricamente POSITIVE!!
PROVE SPERIMENTALI
RAGGI ANODICI o RAGGI CANALE
E. Goldstein:
• utilizzò tubi di scarica con CATODO FORATO
• ricoprì le pareti del tubo dietro al catodo con
sostanza contenente fosforo
• notò che la parete del tubo dietro al catodo
diventava fluorescente
RAGGI ANODICI
Che cosa succedeva nel tubo di Golstein?
W.Wien e Thomson:
• particelle cariche positivamente
• misurazione rapporto carica/massa:
la massa delle particelle non era costante,
ma variava in funzione del gas introdotto
• la massa più piccola si trovò nel caso del gas H2
(1836 volte > rispetto alla massa degli elettroni)
Particella fondamentale della materia
PROTONE
dal greco proteios = di primaria importanza
MODELLO ATOMICO di THOMSON (1903)
ATOMO = sfera omogenea
• massa e carica positiva
distribuite uniformemente
• corpuscoli di carica negativa in moto
inseriti all’interno in modo omogeneo
Elettroni:
semi
ANGURIA
uvetta
PANETTONE
Studi sulla STRUTTURA ATOMICA
influenzati da
Scoperta della RADIOATTIVITÀ
• Henri Becquerel (1896):
 sali di Uranio erano in grado di impressionare lastre
fotografiche -Raggi uranici
• Pierre e Marie Curie (1898)
 fenomeno dei raggi uranici riguardava anche altri
elementi –Torio
 scoprono un nuovo elemento -Polonio
 dalla pechblenda (minerale dell’Uranio) ottengono un
nuovo elemento -Radio
radioattività
Individuati 3 tipi di radiazioni
RAGGI : particelle di carica 2+ (atomi di elio senza elettroni);
attraversano sottilissime lamine metalliche
RAGGI : elettroni molto veloci; attraversano sottili lamine di
piombo (0,005 – 0,3 mm)
RAGGI : radiazioni elettromagnetiche; attraversano pareti di
piombo di alcuni cm
Esperimento di
RUTHERFORD
e collaboratori
(Hans GEIGER e
Ernest MARSDEN)
-1911-
ESPERIMENTO di RUTHERFORD
& C.
OSSERVAZIONI
 Gran parte delle particelle  attraversava la lamina
 Alcune particelle venivano deviate
 Altre rimbalzavano indietro
SORPRESA!!
“…era quasi altrettanto incredibile di un
proiettile di cannone che, sparato contro un
foglio di carta, rimbalzasse e tornasse
indietro a colpirvi”
COMPORTAMENTO PARTICELLE 
confronto tra i due modelli
THOMSON
RUTHERFORD
CONCLUSIONI dell’
ESPERIMENTO di RUTHERFORD
e collaboratori
 Atomo non omogeneo
 Tutta la massa e la carica positiva dell’atomo
concentrate in un nocciolo piccolissimo = NUCLEO
(diametro 104 – 105 volte più piccolo dell’intero atomo)
 Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo
L’ATOMO, PRATICAMENTE, È VUOTO !
 NUOVO MODELLO ATOMICO
MODELLO ATOMICO di RUTHERFORD
Atomo = SISTEMA “PLANETARIO”
Nucleo = SOLE
Elettroni = PIANETI
IL NEUTRONE
 RUTHERFORD valutò il numero di cariche positive (dalla
modalità di deviazione delle particelle ) = n° protoni
n°protoni * massa del protone = massa nucleare 
 ½ massa reale
 ipotesi: esistenza nel nucleo di altre particelle senza
carica elettrica ma con una massa simile al protone
 CHADWICK (1932):
bombardamento di berillio con particelle  
emissione di particelle molto penetranti e non
deviate da campi elettrici  elettricamente neutre
NEUTRONI
Massa
relativa
Carica
elettrica
(Coulomb)
Elettrone
9,109·10-31
0.00054
-1,602·10-19
Protone
1,673·10-27
1
+1,602·10-19
+1
Neutrone
1,675·10-27
1
0
0
Massa
(Kg)
Nucleo: Protoni e Neutroni
Esterno: Elettroni
Carica
relativa
-1
PROBLEMI del MODELLO PLANETARIO
Le particelle cariche sono sottoposte a Forza coulombiana
q1  q2
Fcoulombia na  K
r2
e- fermo
q1, q2: cariche
r: distanza
cade sul nucleo (per la forza attrattiva)
e- in movimento
• Forza centripeta coulombiana
2
m

v
• Forza centrifuga
Fcentrifug a 
r
m: massa
v: velocità
r: distanza
Forze in gioco nel modello atomico di Rutherford
Secondo le leggi dell’elettromagnetismo l’e-,
muovendosi lungo orbite circolari dovrebbe
emettere ENERGIA in relazione al quadrato
della sua velocità
Energia emessa (persa)
Rallentamento del moto dell’ eL’e- non riesce a reagire alla F centripeta
Cade sul nucleo
Secondo le leggi della fisica classica newtoniana…
gli e- precipiterebbero sul nucleo
L’atomo si annullerebbe!
Ma… ciò non si verifica!!
Come risolvere
questo
problema?
Elaborazione
di una nuova
Fisica
Altro punto dolente del modello di Rutherford:
Non riusciva a spiegare gli spettri di
emissione e di assorbimento delle sostanze
Cosa sono gli
spettri?
Bisogna aprire una
parentesi sulle
ONDE
Che cosa sono
le ONDE?
Un’onda è una perturbazione
che si propaga senza
trasporto di materia
onde del mare,
onde di una corda tesa,
onde circolari formate da sasso lanciato in H20
Le onde (o radiazioni)
elettromagnetiche sono
formate da oscillazioni dei
campi elettrici e magnetici,
perpendicolari tra loro e
alla direzione di
propagazione dell’onda
Lunghezza d’onda: ()
distanza tra due creste (o valli) consecutive
Frequenza: () si misura in Hertz
numero di oscillazioni che avvengono nell’unità di tempo (1 secondo)
Periodo: (T) È l’inverso della frequenza; è il tempo impiegato per
compiere un’oscillazione completa
Velocità: (v)
rapporto tra  e T

v 
v  
T
Ampiezza: (A)
altezza di un picco
Onde con 
diversa e
quindi con
diversa 
Onde con
stessa ,
ma diversa A
SPETTRO
ELETTROMAGNETICO
Insieme delle
frequenze (o delle
lunghezze d’onda) che
può assumere una
radiazione
elettromagnetica
Scomposizione della LUCE BIANCA nelle sue componenti
attraverso un prisma ottico di vetro
SONO I COLORI DELL’ARCOBALENO!
violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancio, rosso
I COLORI sono associati a precisi valori di FREQUENZE
nella PORZIONE VISIBILE dello spettro elettromagnetico
• SPETTRO di EMISSIONE
•CONTINUO:
 si forma da corpi incandescenti
(solidi, liquidi e gas ad alta pressione)
 successione di zone colorate sfumanti
con gradualità l’una nell’altra
•A RIGHE:
 gas a bassa p, sottoposto ad alta T o a
scarica elettrica
 righe colorate su sfondo nero
 caratteristico per ogni elemento gassoso o
reso gassoso
 identificazione
• SPETTRO di ASSORBIMENTO A RIGHE:
 gas tra sorgente di luce e fenditura
 righe nere su sfondo continuo
Spettro continuo
di luce bianca
Esempio: SODIO
Spettro di
EMISSIONE
Spettro di
ASSORBIMENTO
Gli spettri di emissione si rivelavano composti da righe
ben distinte
 le transizioni di energia di un atomo dovevano
avvenire in modo discontinuo secondo quantità
discrete e non mediante una variazione graduale
e continua (modello di Rutherford)
QUANTIZZAZIONE DELL’ENERGIA
(Max PLANCK 1900)
 Si interessò del CORPO NERO (oggetto che emette
radiazioni che dipendono solo dalla temperatura
alla quale si trova)
 L’energia non è emessa e assorbita in modo
continuo, ma per piccolissime quantità finite, non
frazionabili, discontinue
 QUANTI o FOTONI
L’ energia di una radiazione è proporzionale alla sua
frequenza
Eh
h= costante di Planck
(6,625·10-34 J*s)
BOHR (fisico danese):
 Studiò lo spettro di emissione
dell’elemento più semplice, l’IDROGENO
4 righe nel visibile (arancio, blu, blu-violetto, violetto)
 Utilizzò il concetto di quantizzazione
dell’energia introdotto da Planck
NUOVO MODELLO ATOMICO
MODELLO ATOMICO di BOHR (1913)
Ammette l’inadeguatezza della elettrodinamica classica
a descrivere il comportamento dei sistemi atomici. Si basa
su 2 postulati
I: (sullo stato stazionario)
Negli atomi gli elettroni non irradiano energia perché
si muovono lungo orbite circolari ben determinate,
ORBITE STAZIONARIE, a ciascuna delle quali
corrisponde una definita quantità di energia, LIVELLO
ENERGETICO
II: (sullo stato eccitato)
Si verificano emissioni di energia (rad.elettromagnetiche)
solo quando un e- passa da un livello energetico iniziale a
uno finale ad energia inferiore
Ei  Ef  E  h
Assorbimento di energia
Emissione di energia
Bohr:
 calcolò i raggi delle orbite dell’e- dell’idrogeno r = a0 n2
dove a0 = 0,5291 Å
 calcolò energia dell’e-
k
E   2
n
K = costante combinata (massa e carica e-, h)
n = numero intero positivo
 cercò di estendere il modello ad atomi poli-elettronici
 definì il numero massimo di livelli energetici possibili
 7, indicati con lettere maiuscole (K,L,M,N,O,P,Q)
ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI ENERGIA
NELL’ATOMO DI IDROGENO
k Per n=1
E   2
 valore di energia più basso (più negativo)
n
 prima orbita
 distanza minima dal nucleo
 l’e- non cade sul nucleo!
Per n>1 (2,3,4,…)
 l’energia aumenta
(meno negativa)
Modello atomico di Bohr
• Successo
 previsione frequenza righe spettrali
dell’idrogeno (un solo e-)
• Fallimento
 non adatto a spiegare il comportamento
di atomi con più e- (interazioni)
MERITO:
Molte nuove idee (numero quantico, livelli discreti
di energia, salti quantici tra livelli) importanti per
lo sviluppo di una nuova teoria
 meccanica quantistica
LIVELLI ENERGETICI
DELL’ATOMO DI H

In seguito ad opportuna eccitazione di una numerosa popolazione di
atomi, i livelli energetici risulteranno statisticamente tutti popolati.
Il ritorno graduale al livello fondamentale, anche mediante ritorni a
livelli intermedi eccitati, produce lo spettro a righe caratteristico
dell'atomo di idrogeno. Con uno spettroscopio ottico sarà possibile
vedere solo le righe derivanti dal ritorno al primo livello energetico
eccitato (n=2) e che ricadono nel visibile (serie di Balmer).
SERIE SPETTROSCOPICHE
DELL’H

Le osservazioni
sperimentali erano
quanto mai
soddisfacenti. La
posizione delle righe
osservate con la
strumentazione allora
esistente era
perfettamente in
accordo con il modello
atomico proposto da
Bohr.
Spettro a righe nella zona visibile per
l'idrogeno (serie di Balmer) posto su due
righe per motivi di spazio orizzontale
SAGGI ALLA FIAMMA