Struttura dell’atomo

1. Struttura dell’atomo

2. 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 enon è la particella più piccola della materia. Questo fu dimostrato tramite I raggi catodici La radioattività

3. PROPRIETA' RAGGI CATODICI Si propagano in linea retta Sono costituiti da qualcosa Dotato di massa Sono costituiti da qualcosa Dotato di carica negativa Se si pongono due piastre Cariche elettricamente di Segno opposto, il fascio di Raggi devia da suo percorso. 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. 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.

4. RADIOATTIVITA' γ α β - + 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. • 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

5. Nuove immagini sull’atomo • Queste scoperte cambiarono radicalmente l’immagine dell’atomo, perché: • ESISTONO PARTICELLE PIU’ PICCOLE DELL’ATOMO • ALCUNI ATOMI POSSONO EMETTERE PARTICELLE • LE PARTICELLE EMESSE SONO DOTATE DI CARICA ELETTRICA • Inoltre, dato che l’atomo è normalmente neutro, è evidente che, • All’interno dell’atomo, cariche positive e negative devono bilanciarsi. Perciò l’atomo non è il più piccolo costituente della materia Ciò dimostra che gli atomi contengono particelle più piccole al loro interno, quindi hanno una struttura complessa Ciò dimostra che l’elettricità è una caratteristica della materia

6. I modelli atomici Stabilito che l’atomo è costituito da particelle Più piccole si poneva il problema di come Fossero organizzate queste particelle. Per questo motivo Nascono i primi MODELLI ATOMICI 1899 1911 MODELLO DI THOMSON MODELLO DI RUTHERFORD 1913 1925 MODELLO DI BOHR MODELLO DI SCHRODINGER

7. EVOLUZIONE DEI MODELLI ATOMICI 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 concetto di quantizzazione delle orbite elettroniche; Schrodinger, infine, rivoluzionò l’idea di orbita elettronica intendendola non più come la traiettoria fisicamente percorsa dall’elettrone, ma come regione dello spazio che possiede la più alta probabilità di essere occupata dall’elettrone. Questa tabella riassume il processo evolutivo avvenuto nello studio dei modelli Atomici. Ora prenderemo in esame ciascuno di questi.

8. MODELLO ATOMICO DI THOMSON 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.

9. MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD 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.

10. 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

11. 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.

12. 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

13. 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.

14. 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.

15. 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)

16. IL DECADIMENTO RADIOATTIVO • Radiazioni a formate da nuclei di elio (2 protoni e 2 elettroni) • Radiazioni b formate da positroni ad elevata E • Radiazioni b-formate da elettroni ad elevata E • Radiazioni g elettromagnetiche ad alta E Il decadimento radioattivo può avvenire per emissione di radiazioni di 4 tipi:

17. IL DECADIMENTO RADIOATTIVO

18. 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.

19. Stabilità dei Nuclei

20. 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

21. Fusione Nucleare 21H + 21H 42He Massa 42He - 2 x Massa 21H = 0,03037 uma

22. Fissione Nucleare 23592U +10n  9035Br + 14357La + 3 10n Energia liberata ==> 1,8x1013 J per mole di U

23. 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.

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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.

28. 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)