Capitolo 2 Cenni alla Composizione e Struttura dell`atomo

Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapia
Capitolo 2
Cenni alla
Composizione
e
Struttura dell’atomo
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
24
Atomi, Molecole, e Ioni
L’idea di Atomo è antica come la civiltà occidentale
(Democrito e Lucippo, ∼ 400 a.C.) anche se per
Aristotele tutto era riconducibile a 4 elementi: acqua,
terra, aria e fuoco.
Soltanto negli
ultimi 15 anni è divenuto possibile “vedere” singoli
atomi.
Esempio:
atomi di
Carbonio
all’interno della
grafite:
19/07/2005
1Å=10-10m
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
25
L’Atomo di Dalton
La comprensione moderna della materia non è emersa fino al
1806 quando John Dalton presentò la sua “teoria atomica”:
n
n
n
n
Ciascun elemento chimico è composto di atomi.
Gli atomi di un dato elemento sono tutti gli stessi.
Atomi di diversi elementi sono diversi.
Durante una reazione chimica gli atomi coinvolti non si
creano nè si distruggono.
I composti chimici si formano quando atomi di 2 o più
elementi si combinano insieme.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
26
Legge delle Proporzioni Multiple
Nei composti degli elementi A e B le masse di A e
B stanno in un rapporto rappresentato da numeri
interi piccoli.
8 g ossigeno
Acqua (H2O):
1 g idrogeno
Acqua Ossigenata
16 g ossigeno
(Perossido di Idrogeno H2O2):
1 g idrogeno
L’acqua ossigenata deve contenere il doppio
della quantità di ossigeno contenuta nell’acqua,
in quanto non si possono aggiungere parti di
atomo
ma
solo
multipli
interi
di
essi.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
27
formazione delle immagini
radiologiche"
Atomi del tipo X
Atomi del tipo Y
Composto con gli
elementi X e Y
Legge delle proporzioni multiple
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
28
La scoperta della struttura
dell’Atomo
Intorno alla metà del 1800 particelle cariche negativamente
e chiamate elettroni furono scoperte da J.J. Thomson, che
ne misurò il rapporto massa/carica elettrica utilizzando un
tubo a raggi catodici, dispositivo da lui inventato.
Lastre cariche elettricamente
Alta Tensione
19/07/2005
magnete
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
Tracce
elettroniche
Schermo
fluorescente
29
La massa e la carica
dell’elettrone
n
n
La carica, negativa, dell’elettrone fu misurata da
Robert Millikan nel corso di un esperimento
passato alla storia.
Conseguenza:
“Tutte le cariche elettriche esistenti in
Natura sono multipli interi della carica
dell’elettrone”.
Risultò che la massa di un elettrone è circa 2000
volte più piccola di quella dell’atomo più leggero
(idrogeno).
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
30
Esperimento di Thomson
-
Generatore
di Tensione
+
Tubo a Vuoto
Elettrodi Metallici
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
31
Esperimento di Thomson
-
19/07/2005
Generatore
di Tensione
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
+
32
Esperimento di Thomson
-
19/07/2005
Generatore
di Tensione
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
+
33
Esperimento di Thomson
-
19/07/2005
Generatore
di Tensione
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
+
34
Esperimento di Thomson
n
Generatore
di Tensione
+
Dall’elettrodo negativo (catodo) a quello
positivo (anodo) si stabilisce una corrente
elettrica ovvero un moto ordinato di un
fascio di cariche elettriche negative.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
35
Esperimento di Thomson
Generatore
n
di Tensione
+
Dall’elettrodo negativo (catodo) a quello
positivo (anodo) si stabilisce una corrente
elettrica ovvero un moto ordinato di un
fascio di cariche elettriche negative.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
36
Esperimento di Thomson
n
Generatore
di tensione
+
Dall’elettrodo negativo (catodo) a quello
positivo (anodo) si stabilisce una corrente
elettrica ovvero un moto ordinato di un
fascio di cariche elettriche negative.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
37
Esperimento di Thomson
n
Generatore
di tensione
+
Dall’elettrodo negativo (catodo) a quello
positivo (anodo) si stabilisce una corrente
elettrica ovvero un moto ordinato di un
fascio di cariche elettriche negative.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
38
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
39
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico
extra
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
40
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
41
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
42
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
43
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra
n
Aggiungendo un campo elettrico extra…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
44
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra
n
… Thomson trovò che i portatori mobili di
carica (la corrente) erano carichi
negativamente…
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
45
Atomo di Thomson
Fatti sperimentali salienti:
n Scoperta dell’elettrone.
n Insuccesso nella scoperta
di un’analoga carica
positiva.
n Neutralità elettrica
dell’atomo
Modello a “panettone”
dell’atomo
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
elettroni
Carica positiva
46
“pezzi” mancanti nel puzzle
atomico
Oggigiorno sappiamo che un atomo, oltre agli
elettroni contiene anche:
n Protoni – carichi positivamente e 1840
volte più massicci degli elettroni.
n Neutroni – neutri ma con all’incicrca la
stessa massa dei protoni.
Ma dove si trovano?
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
47
Esperimento di Rutherford
n
n
n
n
n
Ernest Rutherford fisico inglese. (1910)
Partì dall’assunzione che il modello di Thomson fosse
corretto.
Provò a misurare l’estensione spaziale di un atomo.
Utilizzò la “radioattività”, cioè particelle α, cariche
positivamente, rilasciate dall’Uranio.
Rutherford le usò come “proiettili”, sparandoli contro
una lamina d’oro, usata come bersaglio, sottilissima,
spessa solo qualche strato atomico, e verificando il loro
punto di impatto su di uno schermo fluorescente.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
48
Esperimento di Rutherford
blocco di
piombo
Uranio
schermo fluorescente
lamina d’oro
setup sperimentale
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
49
Ciò che Rutherford si aspettava
era che:
n
n
Le particelle α passassero attraverso la lamina senza
deviare apprezzabilmente dalla loro traiettoria.
Perchè
le cariche positive erano distribuite uniformemente in
tutto il volume atomico.
In poche parole, secondo Rutherford,
l’esperimento avrebbe dovuto
svolgersi così:
così:
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
50
Rutherford si aspettava che
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
51
Perchè …
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
52
Perchè, secondo il modello di Thomson dell’Atomo la
massa dell’atomo (regione verde) carica positivamente
doveva essere distribuita uniformemente all’interno
del volume atomico.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
53
“Bombardando” più atomi di oro
doveva succedere qualcosa di
simile …
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
54
invece, Rutherford osservò
che …
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
55
Spiegazione di Rutherford del risultato
sperimentale ottenuto:
§ l’atomo risulta praticamente vuoto;
§ Contiene, nel centro, un pezzettino di
materia (nucleo), molto denso e dotato di
carica elettrica positiva, in +cui è concentrata
l’intera massa;
§ Le particelle α (cariche positivamente) se si
avvicinano abbastanza al nucleo vengono
deviate in modo sostanziale.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
56
Infatti
+
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
57
Modelli atomici
Modello di Thomson
(uva passa nel panettone)
Modello di Rutherford
(planetario)
La struttura dell’Atomo attuale
•Protoni (carica +)
•Elettroni (carica -)
•Neutroni (non carichi)
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
58
L’Atomo e la sua Densità
La maggior parte delle particelle α , cariche +,
passano indisturbate: perciò, la quasi totalità del
volume dell’atomo deve essere praticamente
vuota.
n Le deviazioni dei proiettili incidenti, quando
avvengono, sono significative:
perciò l’atomo deve contenere un pezzo di materia
carico positivamente, piccolo e massiccio.
Conclusioni :
§ volume piccolo, massa elevata e, quindi, elevata
densità.
n Rutherford aveva scoperto il nucleo dell’atomo.
n
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
59
L’Atomo Moderno
n
n
A.
B.
L’Atomo
è quindi
L’
praticamente vuoto;
È suddiviso in due
regioni:
Nucleo, carico + :
protoni e neutroni
Nuvola elettronica,
carica - : lo spazio
dove “può essere
trovato” un elettrone.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
60
Dimensioni tipiche dell’atomo
Elettroni
Nucleo
∼10-4Å
1-5 Å
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
61
Dimensioni tipiche dell’atomo
n
n
n
n
Se un atomo si estendesse occupando uno
stadio da calcio (100 m) il suo nucleo avrebbe
le dimensioni di una biglia di vetro (1 cm).
La densità di materia all’interno del nucleo
contenente l’intera massa dell’atomo è
dell’ordine di 1014 g/cm3 !!!!!
ρaria∼ 10-3 g/cm3 (a 20 oC e pressione atmosferica)
ρsangue∼ 1 g/cm3, ρferro∼ 8 g/cm3
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
62
L’Atomo
E’ la più piccola parte della materia che
conserva le proprietà chimiche di un
elemento.
E’ composto da un nucleo centrale,
circondato da elettroni che orbitano attorno
ad esso.
19/07/2005
"Principi fisici alla base della
formazione delle immagini
radiologiche"
63