Storia e Scoperta della Struttura Atomica: Dai Raggi Catodici al Modello Planetario

L'esperimento di Crookes e la scoperta dei raggi catodici

Tra il 1860 e il 1888, William Crookes utilizzò un tubo di vetro con due elettrodi metallici alle estremità (catodo negativo e anodo positivo), dal quale rimosse l'aria mediante una pompa. Introducendo un gas nel tubo e collegandolo a un generatore elettrico, ridusse la pressione a livelli molto bassi. Sull'anodo compariva una fluorescenza verde, definita dall'impatto dei raggi emessi dal catodo: da qui il nome raggi catodici (elettroni).

• Proprietà meccaniche: Introducendo un mulinello nel tubo, questo si metteva in movimento al passaggio dei raggi, dimostrando che essi possiedono una massa.
• Deviazione elettromagnetica: Sottoponendo i raggi a un campo elettrico o magnetico, la loro traiettoria veniva deviata verso la parte positiva del campo.

I raggi catodici sono costituiti da particelle di carica negativa presenti negli atomi di tutti gli elementi.

Il contributo di J.J. Thomson

Thomson determinò il rapporto tra carica e massa (1,76x10⁸ C/g). Poiché tale rapporto risultava costante, concluse che tutta la materia doveva contenere elettroni:

• Carica (e): 1,6x10^-19 C
• Massa (m): 9,1x10^-31 kg

Essendo l'atomo neutro, dovevano essere presenti anche particelle positive.

I raggi anodici e la scoperta del protone

Nel 1886, Goldstein modificò l'esperimento di Crookes ponendo il catodo al centro e praticando dei piccoli fori. Osservò che dei raggi luminosi attraversavano i fori dirigendosi nella direzione opposta all'anodo, creando una fluorescenza sulla parete del tubo: erano i raggi anodici (carica positiva), noti anche come raggi canale.

A differenza degli elettroni, il rapporto carica/massa dei raggi anodici dipendeva dal gas utilizzato. Lo ione positivo fu identificato come protone:

• Massa protone: 1,6723x10^-24 g
• Massa elettrone: 9,1096x10^-28 g

Evoluzione dei modelli atomici

Il modello a panettone di Thomson

Thomson ipotizzò che l'atomo fosse una piccola sfera omogenea carica positivamente, in cui erano diffusi gli elettroni negativi, simile a un panettone con l'uvetta.

Il modello planetario di Rutherford

Rutherford ipotizzò che la carica positiva e la massa dell'atomo fossero concentrate in una zona piccolissima, il nucleo, e che la maggior parte del volume atomico fosse vuoto, occupato da elettroni che ruotavano su orbite circolari attorno al nucleo. Il numero di protoni nel nucleo definisce il numero atomico (Z).

Verso la meccanica quantistica

La legge quantistica stabilisce che l'energia di una radiazione elettromagnetica viene emessa da un oggetto in modo discontinuo, secondo quantità definite dette quanti. L'elettrone, non potendo cadere sul nucleo, deve ricevere energia per spostarsi. Poiché non è possibile definire precisamente la posizione dell'elettrone, non si possono attribuire orbite ben definite, rendendo la sua posizione intrinsecamente incerta.