La Struttura dell'Atomo: Particelle Subatomiche e Modelli Atomici

La scoperta delle particelle subatomiche

Per studiare gli effetti del passaggio di corrente elettrica in un gas, si utilizza un tubo di vetro trasparente alle cui estremità sono fissate due placche metalliche chiamate elettrodi: uno collegato al polo negativo (catodo -) di un potente generatore elettrico e l'altro al polo positivo (anodo +).

Se si riduce la pressione del gas, si diffonde una luce colorata (rossastra nel caso del neon). Se la pressione scende a valori di un milionesimo di atmosfera, non si ha più emissione di luce, ma le radiazioni provenienti dal catodo producono una luminosità in fondo al tubo, sulla parete antistante. Tali radiazioni sono i raggi catodici.

Nel 1897, il fisico Thomson utilizzò tubi di vetro progettati da Crookes per studiare l'effetto di un campo magnetico e di un ostacolo sui raggi catodici. Egli dimostrò che la radiazione emessa dal catodo consiste di particelle cariche negativamente: gli elettroni, che sono uguali per gli atomi di tutti gli elementi. L'atomo, contrariamente a quanto affermato da Dalton, non è indivisibile: esistono particelle più piccole, definite subatomiche, che lo costituiscono.

Gli esperimenti di Goldstein, effettuati con un catodo forato, identificarono altre particelle che si muovono verso il polo negativo, formando un fascio di raggi anodici. Questi sono composti da particelle positive con masse diverse in base al gas contenuto nel tubo. La massa della particella positiva più piccola è quella del gas idrogeno; le masse delle altre particelle positive sono multipli interi della massa dell'idrogeno.

Spiegazione dei risultati sperimentali

Gli atomi e le molecole dei gas all'interno del tubo, bombardati dai raggi catodici, perdono elettroni e si trasformano in frammenti positivi degli atomi stessi. Poiché le particelle positive hanno masse multiple dell'idrogeno, a tale particella positiva (che ha la stessa carica dell'elettrone ma massa maggiore), Rutherford diede il nome di protone. Successivamente, nel 1932, Chadwick scoprì una terza particella: il neutrone, che è elettricamente neutra e priva di carica.

I Modelli Atomici di Thomson e Rutherford

Rutherford utilizzò particelle con carica positiva costituite da nuclei di elio, le particelle alfa (α), con le quali bombardò gli atomi di un sottilissimo foglio d'oro (spessore 0,01 mm). Dopo l'urto, le particelle alfa, invisibili all'occhio umano, vennero raccolte da uno schermo in grado di evidenziare la loro presenza.

I risultati furono i seguenti:

• 1) Gran parte delle particelle alfa attraversa il foglio d'oro, imitando il comportamento degli elettroni.
• 2) Solo poche particelle vengono deviate o rimbalzano indietro.

In base a ciò, Rutherford propose un nuovo modello in cui:

1. L'atomo è composto da un nucleo centrale contenente tutta la carica positiva e la massa dell'atomo.
2. Gli elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo.
3. Il diametro del nucleo deve essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo.
4. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo in numero tale da bilanciare esattamente la carica positiva del nucleo.

Il Numero Atomico identifica gli elementi

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico (Z). Se l'atomo è neutro, questo numero è uguale a quello degli elettroni.

Il numero di massa e gli isotopi

Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n) contenuti nel nucleo.

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse, poiché contengono un diverso numero di neutroni.

Il modello ad orbitali

Il modello ad orbitali è costituito da un nucleo (lo stesso del modello di Rutherford o di Bohr) nel quale sono concentrati tutti i protoni e i neutroni, circondato dai famosi 7 livelli energetici (già presenti nel modello di Bohr) sui quali si trovano degli orbitali in cui è possibile pensare gli elettroni.

Gli isotopi sono atomi appartenenti allo stesso elemento chimico che, pur mantenendo invariato il numero atomico, differiscono invece per il numero di massa. Gli isotopi di uno stesso elemento, quindi, pur condividendo lo stesso numero di protoni ed elettroni, differiscono tra loro per il numero di neutroni contenuti all'interno del nucleo. Ne consegue che, se dal punto di vista chimico due isotopi si comportano nello stesso modo, le differenze si registrano nel comportamento fisico. Gli isotopi si suddividono, poi, in stabili e radioattivi.

Caratteristiche delle Particelle Subatomiche

Le particelle subatomiche sono tre: Elettrone, Protone e Neutrone.

Elettrone

• Scoperta: Thomson, 1897. Se la materia viene sfregata, vi è un passaggio di carica elettrica; sfregando due oggetti avviene un passaggio di elettroni, poiché essi compongono lo strato esterno dell’atomo.
• Carica: Negativa, pari a -1u.
• Massa: Circa 20 volte inferiore (nota: scientificamente 1836 volte) alla massa del protone e del neutrone, con un valore di 9.109 · 10^-31 kg.
• Tavola Periodica: Ha lo stesso valore di Z negli elementi neutri. Il valore può variare, trasformando l'atomo in uno ione.

Protone

• Scoperta: Goldstein, 1885. Poiché la materia ha carica elettrica neutra, nell’atomo devono esistere particelle di carica positiva che annullano la carica dell’elettrone.
• Carica: Positiva, pari a 1u.
• Massa: Superiore alla massa dell’elettrone e simile a quella del neutrone, con un valore di 1.673 · 10^-27 kg.
• Tavola Periodica: Ha lo stesso valore di Z. Il valore non può variare (fatta eccezione per gli elementi radioattivi).

Neutrone

• Scoperta: Chadwick, 1932. Si notò che la massa dell’atomo era superiore alla somma della massa del protone e dell’elettrone; esistono quindi particelle di carica neutra che variano la massa ma non la carica.
• Carica: Neutra, pari a 0u.
• Massa: Simile a quella del protone, con un valore di 1.675 · 10^-27 kg.
• Tavola Periodica: Il suo numero è calcolabile come A - Z. Il valore può variare, originando un isotopo.

Riepilogo Definizioni

• Numero atomico (Z): Numero di protoni presenti all'interno del nucleo.
• Numero di massa (A): Somma di protoni e neutroni presenti all'interno del nucleo.