Le particelle dell`atomo

Le particelle dell’atomo
La carica elettrica
I fenomeni elettrici sono noti fin dall’antichità: gli antichi Greci usavano la parola elektron per spiegare il fenomeno
dell’elettrizzazione dell’ambra.
I Greci sapevano che strofinando l’ambra (l’elektron, una resina fossile di colore giallo arancio) con un panno di lana,
essa acquista la capacità di attrarre oggetti leggeri come piume o pagliuzze.
Alla base dei fenomeni elettrici c’è una proprietà della materia che si chiama carica elettrica
Le particelle dell’atomo
La carica elettrica
La carica elettrica si manifesta in due forme opposte: carica elettrica positiva (+) e carica elettrica negativa (-)
Come si vede nell’immagine, la forza che si stabilisce tra cariche dello stesso segno è repulsiva, mentre la forza che si stabilisce
tra cariche di segno opposto è attrattiva
La forza F che si stabilisce tra due cariche elettriche si può calcolare con la legge di Coulomb
𝑭=𝑲×
𝑸𝟏 ×𝑸𝟐
(K è una costante, Q1 e Q2 sono le cariche e d è la distanza tra le due cariche)
𝒅𝟐
Le particelle dell’atomo
La carica elettrica
I corpi normalmente non manifestano i fenomeni collegati alle cariche elettriche in quanto contengono
cariche elettriche positive e negative in ugual numero: gli effetti delle cariche negative sono annullati
dagli effetti delle cariche positive.
I corpi sono elettricamente neutri
I corpi sono costituiti da particelle piccolissime chiamate atomi
Gli atomi non sono indivisibili come aveva ipotizzato Dalton
Gli atomi sono formati da particelle ancora più piccole
Le particelle fondamentali dell’atomo sono tre
Massa (Kg)
Carica
In Coulomb (C)
Carica
convenzionale
Elettrone (e-)
9,109 x 10-31
1,602 x 10-19
-1
Protone (p+)
1,673 x 10-27
1,602 x 10-19
+1
Neutrone (n)
1,675 x 10-27
0
0
Le particelle dell’atomo
Le particelle dell’atomo
Modello atomico di Rutherford
Nel 1911 lo scienziato neozelandese E. Rutherford bomabardò una sottilissima lamina di oro con particelle alfa
(le particelle alfa sono formate da due protoni e da due neutroni: hanno massa e carica positiva). Le particelle
alfa positive passavano nel 99% dei casi attraverso la lamina senza subire deviazioni. In qualche caso venivano
deviate con angoli superiori ai 90°e, in un caso su 8000, venivano respinte indietro.
Foglio d’oro
Lo schermo rileva la deviazione delle particelle
Sorgente di particelle α
Particelle α deviate
La maggior parte delle particelle non devia
Analizzando i dati sperimentali Rutherford osservò che:
•
le particelle alfa nella maggior parte dei casi oltrepassavano la lamina d'oro senza subire deviazioni.
•
alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale;
•
un numero molto tornava indietro.
Le particelle dell’atomo
Modello atomico di Rutherford
•
Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford ipotizzò che
•
l'atomo dovesse essere formato prevalentemente da spazio vuoto;
•
La carica positiva e la massa (protoni e neutroni) dell'atomo dovessero essere concentrate in un
"nocciolo" piccolissimo e centrale: il nucleo.
•
Gli elettroni negativi dovessero muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del nucleo dovesse
essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo.
•
il numero di elettroni dovedsse essere tale da bilanciare la carica positiva del nucleo
modello atomico di Thomson
modello atomico di Rutherford
Nel 1904 lo scienziato inglese J.J. Thomson propose il
cosidetto modello a panettone che suscitò numerose
curiosità e consensi.
In base ai dati allora disponibili, Thomson immaginò che
gli elettroni (negativi) fossero dispersi in una massa
elettricamente positiva, in modo da determinarne l'equilibrio
delle cariche.
Questo modello atomico è detto modello planetario, poichè
ricorda, in miniatura, il Sistema Solare in cui il sole
rappresenta il nucleo dell'atomo e i pianeti gli elettroni, che si
muovono, lungo le proprie orbite attorno al sole (nucleo
dell'atomo).
Le particelle dell’atomo
Numero atomico e numero di massa
Numero atomico e numero di massa sono due grandezze necessarie per quantificare il numero di
particelle atomiche presenti in un determinato atomo
Numero atomico
Il numero atomico Z indica il numero di protoni (p+) presenti nel nucleo di un atomo. Atomi di uno
stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni.
In un atomo neutro il numero di protoniè uguale al numero di elettroni
Numero di massa
Il numero di massa A corrisponde invece alla somma tra il numero di protoni e il numero di neutroni
presenti nel nucleo di un atomo (protoni e neutroni sono indicati complessivamente con il termine di
nucleoni).
Il numero di neutroni n° si calcola applicando la seguente formula:
n° = A - Z
in cui:
A = numero di massa = numero protoni + numero neutroni
Z = numero atomico = numero protoni
Le particelle dell’atomo
Numero atomico e numero di massa
Se X è il simbolo di un elemento, il numero atomico Z viene indicato in basso a sinistra dell’elemento e
il numero di massa A in alto a sinistra del simbolo
Numero di massa
Numero atomico
Il numero atomico Z rappresenta l’identità chimica di un atomo: ogni elemento ha atomi caratterizzati
da uno e uno solo numero atomico come evidenziato nella tabella:
Z
Elemento
1
H
8
O
11
Na
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Isotopi
Atomi che hanno lo stesso numero atomico Z (e quindi appartengono allo stesso elemento), ma
differiscono per il numero di massa A si chiamano isotopi.
Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi che vengono così rappresentati:
35Cl
e 37Cl
Poiché il cloro ha numero atomico Z = 17, i due isotopi differiscono per il numero di neutroni
Per l'isotopo 35Cl si ha: n° = A - Z = 35 - 17 = 18 neutroni
Per l'isotopo 37Cl si ha: n° = A - Z = 37 - 17 = 20 neutroni
Gli atomi isotopi di uno stesso elemento
hanno diverso numero di neutroni
In questa immagine sono rappresentati i tre
isotopi dell’idrogeno o famiglia isotopica
dell’idrogeno
Le particelle dell’atomo
Reazioni nucleari
Alcuni isotopi naturali hanno il nucleo instabile e, attraverso reazioni nucleari, si trasformano in isotopi
più stabili.
Un nucleo risulta instabile quando il numero di protoni è troppo elevato (Z > 83).
Il nucleo di un isotopo instabile si trasforma in un nucleo stabile emettendo:
• particelle alfa (), corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4);
•particelle beta (), fasci di elettroni veloci (carica –1, massa 0);
• raggi gamma (), radiazioni elettromagnetiche a grande energia.
Le particelle dell’atomo
In questa immagine si
nota la capacità
penetrante delle
particelle che possono
essere emesse da un
isotopo radioattivo
Le particelle dell’atomo
nuclei con numero atomico superiore a 83 e numero di massa superiore a 220 decadono emettendo
particelle alfa α (nuclei di elio: 2 protoni e due neutroni)
Il numero atomico Z diminuisce di due unità, il numero di massa A diminuisce di 4 unità
Le particelle dell’atomo
nuclei troppo ricchi di neutroni si trasformano in nuclei stabili emettendo elettroni veloci (particelle
β-).
Tale emissione trasforma un neutrone in un protone
n=p+e
p=n−e
Con tale emissione il numero di massa A non cambia, il numero atomico Z
aumenta di una unità
In questa immagine si vede come il cobalto con A
= 60 si trasformi in nichel con A = 60
È da notare che l’emissione di una particella β- è
accompagnata dall’emissione di un raggio γ
altamente energetico
Le particelle dell’atomo
nuclei troppo ricchi di protoni si trasformano in nuclei stabili in due modi:
•
Emissione di elettroni positivi o positroni (+ )
•
Assorbimento di un elettrone orbitante da parte di un neutrone
40
19K
40
18Ar
In entrambi i casi il numero di massa A non cambia, il numero atomico Z diminuisce di una unità