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L’ATOMO
Di cosa sono fatte le cose?
Come si è arrivati a capire gli atomi?
Com’è fatto un atomo?
Quanto è grande un atomo?
Che atomi esistono in natura?
Perché esistono gli atomi?
Risponde (o almeno ci prova)
Paolo Montagna
Ricercatore in Fisica Nucleare all’Università di Pavia
Docente di Fisica Medica e Radioattività
nei corsi di laurea delle Professioni Sanitarie Tecniche
P.Montagna
22/02/2010
L’ATOMO
Scuola Media Casorati - 2a F
pag.1
Di che cosa sono fatte le cose?
Lo scienziato indaga osservando la realtà
con una particolare “lente di ingrandimento”:
dal complesso al semplice
Ad es. tutti gli edifici sono fatti di
mattoni, ferro, legno,
cemento, sabbia, acqua…
P.Montagna
22/02/2010
L’ATOMO
Ma di cosa sono fatti
i mattoni, il ferro,
il legno, il cemento,
la sabbia, l’acqua…?
Scuola Media Casorati - 2a F
pag.2
L’antica storia dell’atomo
I filosofi greci nel VI-V secolo a.C. fanno le prime
ipotesi sulla struttura della materia.
Secondo Empedocle, tutte le cose sono composte da
4 elementi: terra, acqua, aria e fuoco.
Secondo Democrito, suddividendo la materia in pezzettini sempre più
piccoli, prima o poi si deve arrivare ad una particella fondamentale e
indivisibile (altrimenti, se si potesse dividere sempre più fino
all’infinito, le cose si dissolverebbero nel nulla).
in greco:
à-tomos
Anche se questa ipotesi
(2300 anni dopo!) si è rivelata sbagliata,
contiene un’idea esatta fondamentale:
per tutte le cose,
la struttura più interna della materia è IDENTICA !!!
P.Montagna
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pag.3
Diversi atomi per diverse sostanze
Lo studio della struttura della materia
riprende solo agli inizi del XIX secolo.
Si è ormai affermato il
metodo sperimentale di Galileo:
sono gli esperimenti a condurre
alle teorie, non viceversa!
Teoria atomica di Dalton-Avogadro
La materia è formata da atomi indivisibili e indistruttibili
I diversi elementi hanno atomi diversi tra loro e con masse diverse
I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi
che si combinano in molecole secondo un rapporto definito
¾ Le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi
¾
¾
¾
P.Montagna
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pag.4
Le proprietà chimiche
si ripetono periodicamente!
Mendeleev 1869: tutte le sostanze possono essere descritte
in termini di diverse composizioni di “solo” poco più di 100 atomi
(lui ne conosceva 63, ma ne prevedeva altri poi scoperti),
suddivisi in modo che a intervalli regolari (periodici)
si presentano elementi con uguali proprietà chimiche!
P.Montagna
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pag.5
Le cariche elettriche
e la divisione dell’atomo
Thomson 1897:
i raggi catodici sono costituiti da una
particella di carica negativa e massa
2000 volte minore della massa
dell’atomo di idrogeno: l’elettrone.
Tubo catodico
La materia è elettricamente neutra. Da dove viene l’elettrone?
L’elettrone deve essere contenuto all’interno dell’atomo.
Ma allora nell’atomo devono esistere anche delle cariche
positive in modo che l’atomo nel suo complesso sia neutro!
Æ L’atomo non è indivisibile: è stato diviso!
Modello atomico di Thomson:
Un “panettone” di carica positiva
che contiene gli elettroni come “uvetta e canditi”!.
Ma è giusto? Bisogna verificare sperimentalmente Æ
P.Montagna
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pag.6
Il nucleo atomico
e gli elettroni orbitali
Esperimento di Rutherford (1911):
bombardando con particelle alfa (massa
dell’elio, 4 volte l’idrogeno) una lamina d’oro,
si osserva che in alcuni casi (1 su 20000) le
particelle vengono deflesse all’indietro,
come se “rimbalzassero”, mentre quasi
sempre proseguono in avanti.
L’atomo di Thomson è sbagliato!
Modello planetario di Rutherford:
L’atomo non è omogeneo:
ha un nucleo centrale a carica positiva
attorno al quale orbitano gli elettroni
attirati dalla forza elettromagnetica
P.Montagna
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pag.7
Il protone e il neutrone
Rutherford 1919: scoperta del protone
particella a carica positiva e massa 1836 volte superiore all’elettrone
Modello finale dell’atomo di Rutherford:
Gli atomi hanno tanti protoni nel nucleo quanti elettroni nelle orbite,
in modo che le cariche elettriche positive e negative si compensano.
Atomi di elementi diversi hanno diverso numero di protoni e elettroni.
Capito tutto? Ancora no!
L’analisi sperimentale dice che:
• gli atomi hanno masse doppie
o anche più di quel che
dovrebbero in base al numero
dei protoni
• i protoni dovrebbero
respingersi fortemente per la
forza elettromagnetica
P.Montagna
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L’ATOMO
Ipotesi: nel nucleo c’è anche un’altra
particella, neutra e pesante come il
protone, e un’altra forza attrattiva,
più forte della repulsione elettrica!
Chadwick 1932:
scoperta del
neutrone
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pag.8
Entriamo nell’atomo…
L’atomo quindi è un
piccolissimo
“sistema planetario”.
Ma quanto è piccolo?
Ci serve - ahimé – la matematica!
Per raggiungere l’infinitamente
grande e l’infinitamente piccolo
bisogna saper utilizzare bene le
potenze di 10
Per capirlo meglio, facciamo un viaggio…
prima verso l’infinitamente grande
e poi verso l’infinitamente piccolo
…grazie alla mia “assistente”…
P.Montagna
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L’ATOMO
Mah, il mio papà
sarà anche un
fisico… ma non sa
nemmeno scaricare
un filmato da
YouTube!!
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pag.9
Com’è fatto un atomo:
masse e dimensioni
Z protoni
mp = 1.673 • 10-27 kg
carica positiva
N neutroni
mn = 1.675 • 10-27 kg
carica nulla
Z elettroni
me = 9.109 • 10-31 kg
carica negativa
Rnucleo ≈ 10-13 cm
Ratomo ≈ 10-8 cm
il nucleo è 100000 volte
più piccolo dell’atomo!
P.Montagna
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L’ATOMO
Se l’atomo fosse
uno stadio di
calcio, il nucleo
sarebbe…
il pallone!!!
l’elettrone è
2000 volte
più leggero del protone
e del neutrone, che
invece sono quasi uguali
tra loro!
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pag.10
Atomi, nuclei, particelle:
le loro dimensioni
P.Montagna
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pag.11
Numero atomico e peso atomico
atomi
92 elementi naturali, da idrogeno a uranio
nucleo (protoni, neutroni) + elettroni
dimensioni : raggio ≈ 10–8 cm = 0.00000001 cm
Z = numero atomico
A = numero di massa
N = numero di neutroni
Numero di massa:
A = Z + N
Notazione:
Peso atomico :
A
Z
X
1 unità di massa atomica (u.m.a.) = 1 dalton
= 1.66 ·10-24 g = 0.00000000000000000000000166 g
(circa uguale al peso dell’atomo di idrogeno: Z=1)
P.Montagna
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pag.12
Elementi chimici
Elementi chimici: atomi con diverso Z
naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92)
artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92)
P.Montagna
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pag.13
Gli isotopi e la “valle dei nuclei”
Isotopi:
stesso n.protoni Z
diverso n.neutroni N
N
(stessa specie chimica, diversa massa)
stabili
radioattivi
(naturali e artificiali)
Stabilità dei nuclei:
Nuclei leggeri (Z ≤ 20) Æ N = Z
Nuclei pesanti (Z > 20) Æ N > Z
Z
… come si spiega? …
P.Montagna
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pag.14
Abbondanza isotopica
isotopi = elementi con stesso Z e diverso N
elemento
isotopi
carbonio
12C
13C
14C
ossigeno
16O
17O
potassio
18O
39K
40K
piombo
41K
204Pb
206Pb
207Pb
208Pb
P.Montagna
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Z
A
6
6
6
8
8
8
19
19
19
82
82
82
82
12
13
14
16
17
18
39
40
41
204
206
207
208
L’ATOMO
N=A–Z
6
7
8
8
9
10
20
21
22
122
124
125
126
abbondanza
relativa (%)
98.89
1.11
tracce
99.759
0.037
0.204
93.138
0.012
6.800
1.3
26.0
20.7
52.0
peso
atomico
12.011
15.9994
39.0983
207.19
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pag.15
Ma i protoni non si respingono?
Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d ≈ 10-15 m).
Essi risentono delle forze di:
attrazione
- 0,00000000000000000000000000000000002 N
gravitazionale
+ 230 N (un miliardo di miliardi di miliardi
di miliardi di volte più forte!)
repulsione
elettrostatica
FE
P
FG FG
P
FE
?!?
In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica)
i protoni dovrebbero respingersi violentemente
e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici.
A MENO CHE…
P.Montagna
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La “colla” nucleare
A MENO CHE…
All’interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore
nuova forza di attrazione, capace di “incollare” tra loro
i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana.
Per tenere uniti i protoni sono necessari anche i neutroni!
FORZA NUCLEARE FORTE:
• E’ sempre attrattiva
• Si manifesta solo a distanze d ≈ 10-15 m
• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni
... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei...
P.Montagna
22/02/2010
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pag.17
Guardando i nuclei leggeri…
... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni
il nucleo non è stabile
Idrogeno: Z=1
Elio: Z=2
1
1H
2
2 He
2
1H
Deuterio
3
1H
Trizio
Æ instabile!
3
2 He
4
2 He
5
2 He
La forza nucleare non basta ancora:
ci deve essere un’altra forza
responsabile dei decadimenti nucleari Æ
P.Montagna
22/02/2010
L’ATOMO
non
esiste!
Æ instabile!
FORZA
NUCLEARE
DEBOLE
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pag.18
Ma quanti neutroni
ci vogliono nel nucleo?
Né troppi,
né troppo pochi!
N
Z
La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale.
Quindi aggiungendo neutroni, il nucleo dovrebbe
essere sempre più stabile perché la forza forte
vince sempre di più la repulsione elettrica.
Invece si verifica che gli isotopi naturali hanno
un numero di neutroni al massimo pari a una volta
e mezza quello dei protoni.
Altri nuclei non esistono, o – se prodotti –
decadono spontaneamente dopo un certo tempo,
emettendo particelle, o trasformandosi in altre
specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli.
RADIOATTIVITA’
P.Montagna
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Le 4 forze fondamentali della natura
In natura esistono 4 forze fondamentali:
Le prime 2 governano il mondo macroscopico
(dall’atomo in su) perché agiscono anche a
grandissime distanze
1)
Gravitazionale
Intensità
10-38=0.000000000000000000000000000000000000001
2) Elettromagnetica
Intensità
10-2 =0.01
Le altre 2 governano il mondo microscopico
(subatomico) perché agiscono solo a
distanze di 10-15 m = 0.000000000000001 m
3) Nucleare forte
Intensità
1
4) Nucleare debole
Intensità
10-14=0.00000000000001
P.Montagna
22/02/2010
…ne parliamo magari l’anno prossimo…
Grazie a tutti! Ciao!!!
L’ATOMO
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..
pag.20