05x01 - Particelle e modelli atomici

Le particelle dell'atomo

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Il concetto di atomo

Nel 1803 Dalton riprese le idee di Democrito (400 a.C.) sulla natura della materia, conferendogli valore scientifico.

1. Tutta la materia è fatta da particelle microscopiche indistruttibili e indivisibili chiamate atomi.

2. Gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno uguale massa.

3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.

4. Gli atomi di un elemento si combinano, per formare un composto, solamente con numeri interi di atomi di altri elementi.

5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto ad un altro.

La natura elettrica della materia

Lo strofinio di qualsiasi oggetto provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può attrarre piccoli oggetti.
Lo strappo di una striscia di nastro adesivo provoca la comparsa su di essa di cariche elettriche:

(A) cariche di segno opposto si attraggono, mentre

(B) cariche di segno uguale si respingono.

La natura elettrica della materia

La carica elettrica può essere di due tipi: per convenzione si distingue in positiva (+) e negativa (–).

A) Le cariche dello stesso
segno, (+) e (+)
oppure (–) e (–),
si respingono.

B) Le cariche di segno
opposto, (+) e (–)
si attraggono.

La legge di Coulomb

La legge di Coulomb afferma che la forza che si stabilisce tra due corpi di carica Q₁ e Q₂ è direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

II valore della costante k dipende dal materiale tra le cariche: se è aria, si approssima a 9,0 x 10⁹ N • m²/C², cioè il valore determinato sperimentalmente nel vuoto.

Multiple Select

La legge di Coulomb:

• è direttamente proporzionale alla distanza tra le cariche

• è inversamente proporzionale alla distanza tra le cariche

• direttamente proporzionale alle cariche

• inversamente proporzionale alle cariche

La scoperta dell'elettrone

Nel 1897 il fisico inglese JJ Thomson studiò l'effetto di un campo magnetico e di un ostacolo sui raggi catodici usando particolari tubi di vetro progettati dal collega William Crookes.

La scoperta dell'elettrone

Le radiazioni furono chiamate raggi catodici. Questi:
• non cambiavano al variare del metallo che costituiva il catodo o al variare del gas nel tubo;
• erano deviati verso il polo positivo di un campo elettrico;
• erano uguali per gli atomi di tutti gli elementi.

Thomson dimostrò che i raggi catodici erano particelle con carica negativa, che chiamò elettroni, e misurò il rapporto carica/massa di tali particelle. Il valore del rapporto non cambia al variare del gas o del metallo, quindi gli elettroni sono uguali per gli atomi di tutti gli elementi.

Multiple Choice

I raggi catodici vengono deviati verso la piastra elettrica:

• positiva

• negativa

• non vengono deviati

Multiple Choice

I raggi catodici hanno carica elettrica:

• positiva

• negativa

• neutra

Multiple Choice

I raggi catodici cambiano a seconda del materiale del catodo o del gas nel tubo.

• Vero

• Falso

La carica dell'elettrone

La carica elettrica dell’elettrone è stata determinata nel 1910 dal fisico statunitense Robert Millikan (1868-1953).
Il suo valore è - 1,602 x 10^-9 C ed è la minima quantità di carica esistente: tutte le cariche sono un multiplo intero della carica dell’elettrone, che per questo si chiama carica elementare.
Di conseguenza si è stabilito per convenzione che l’elettrone (e^-) ha carica - 1. La determinazione della carica dell’elettrone ha permesso anche di determinare la sua massa, 9,109 x 10^-31 kg, un valore davvero piccolo, paria circa 2000 volte meno la massa dello ione idrogeno.

La scoperta del protone

La scoperta dell'elettrone fece capire che l'atomo non è indivisibile, ma se è neutro deve esistere un'altra particella di carica positiva che bilancia quella negativa dell'elettrone.
Il fisico tedesco Eugen Goldstein (1850-1930) identificò queste particelle grazie a esperimenti condotti in tubi di vetro, dotati di un catodo forato e riempiti di gas rarefatto. Le particelle, generate dal gas, si muovevano verso il polo negativo generando un fascio di raggi anodici:
• le masse delle particelle sono diverse a seconda del gas contenuto nel tubo; • quando il gas è idrogeno si registra la massa più piccola;
• le masse delle particelle positive sono multipli interi della massa dell’idrogeno.

La scoperta del protone

Gli atomi e le molecole dei gas contenuti nel tubo, bombardati dai raggi catodici, perdono alcuni elettroni e si trasformano in frammenti positivi degli atomi stessi, che vengono attirati verso il catodo. Poiché le particelle positive hanno masse multiple dell’idrogeno, gli atomi devono essere costituiti da questa unità fondamentale.
A tale particella elementare positiva,
che ha lo stesso valore della carica
dell’elettrone, nel 1920 E. Rutherford
assegnò il nome di protone (p⁺),
con massa 1836 volte maggiore di
quella dell’elettrone, cioè 1,673 x 10^-27 kg.

Le particelle dell'atomo

Nel 1932, il fisico inglese James Chadwick scoprì una terza particella subatomica: il neutrone (n), che è elettricamente neutro, cioè privo di carica. La sua massa è 1839 volte maggiore di quella dell’elettrone.
Protoni e neutroni sono confinati nel nucleo, una zona molto piccola dell’atomo (circa centomila volte più piccola dell’atomo stesso) e molto densa. Per questo protoni e neutroni si dicono nucleoni.

Multiple Choice

La massa dell'elettrone è:

• circa 2000 volte maggiore di quella del protone

• circa 2000 volte minore di quella del protone

• circa 20000 volte maggiore di quella del protone

• circa 20000 volte minore di quella del protone

Multiple Choice

I raggi anodici cambiano a seconda del gas nel tubo.

• Vero

• Falso

Multiple Choice

Le particelle dei raggi anodici sono un multiplo:

• della massa del nucleo di idrogeno

• della massa del nucleo di ossigeno

• della massa del nucleo di carbonio

Multiple Choice

Il neutrone ha una massa simile a quella del protone.

• Vero

• Falso

I modelli atomici di Thomson e Rutherford

Il modello atomico di Thomson

Pochi anni dopo la scoperta dell’elettrone, Thomson propose per l’atomo un modello continuo, secondo cui:
• la carica positiva si dispone come una nube e occupa tutto il volume dell’atomo;
• gli elettroni sono dispersi nell’atomo in posizioni regolari.
Il modello atomico di Thomson viene anche chiamato modello a panettone.

​Modello atomico
di Thomson

Il modello atomico di Rutherford

Le osservazioni dell'esperimento portano Rutherford a elaborare un nuovo modello atomico secondo cui:

1. l'atomo è composto da un nucleo centrale, in cui sono concentrate tutta la carica positiva e la massa dell'atomo;

2. gli elettroni, leggerissimi, occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo;

3. il diametro del nucleo (10^-15 m) deve essere circa centomila volte più piccolo dello spazio occupato dagli elettroni (10^-10 m);

4. gli elettroni ruotano intorno al nucleo come pianeti intorno al Sole e sono

   in numero tale da bilanciare esattamente la carica positiva del nucleo.

Il modello atomico di Rutherford

I due modelli a confronto

I due modelli atomici di Thomson (A) e Rutherford (B) a confronto: se l'atomo non possedesse un nucleo, le particelle alfa non sarebbero deviate o respinte rispetto alla direzione iniziale.

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Nel modello atomico di Thomson

• gli elettroni sono dispersi nella massa dell'atomo

• la massa dell'atomo è positiva

• gli elettroni orbitano attorno al nucleo dell'atomo

• il nucleo positivo costituisce quasi l'intera massa dell'atomo

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Nel modello atomico di Rutherford

• gli elettroni sono dispersi nella massa dell'atomo

• la massa dell'atomo è positiva

• gli elettroni orbitano attorno al nucleo dell'atomo

• il nucleo positivo costituisce quasi l'intera massa dell'atomo