Atomo e particelle atomiche

La natura elettrica della materia

• lo strofinio di qualsiasi materiale provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica capace di attrarre piccoli oggetti;

• la carica elettrica può essere di due tipi: per convenzione si distingue in positiva (+) e negativa (‒);

• le cariche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono;

‒

• le cariche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono;

• un corpo è elettricamente neutro quando possiede lo stesso numero di cariche elettriche positive e negative;l

• lo strofinio provoca la migrazione da un corpo all’altro di cariche elettriche negative, chiamate elettroni;

• un oggetto elettricamente carico è capace di caricare per «induzione» un oggetto neutro.

SCOPERTA DELL’ELETTRONE

(Thompson 1897)

• Il gas veniva racchiuso in un tubo trasparente, alle cui estremità erano fissate due placche metalliche, chiamate elettrodi. Una placca era collegata al polo negativo di un potente generatore elettrico e l’altra al polo positivo. La placca negativa fu chiamata catodo (‒) e la placca positiva anodo (+). Già prima del 1850 era noto il fatto che il flusso di elettricità in un gas abbastanza

‒

placca positiva anodo (+). Già prima del 1850 era noto il fatto che il flusso di elettricità in un gas abbastanza rarefatto (avente pressione di qualche centesimo di atmosfera) provoca emissione di luce.

• Ulteriori osservazioni furono rese possibili grazie all’invenzione di una pompa capace di produrre un vuoto spinto e alla creazione di tubi di vetro di opportuna forma, chiamati tubi di Crookes dal nome del fisico inglese William Crookes (1832-1919).

Le particelle più piccole dell’atomo

Gli elettroni.

4. Le particelle più piccole dell’atomo

Le particelle subatomiche.

L’esperimento di Rutherford (1911)

• Thomson suggerì l’idea che l’atomo fosse costituito da una sfera di carica positiva, in cui gli elettroni erano disseminati «come l’uvetta nel panettone».

• Lo scienziato neozelandese Ernest Rutherford utilizzarono radiazioni α (atomi di elio privi di due elettroni), per di elio privi di due elettroni), per bombardare gli atomi d’oro di una sottilissima lamina, dello spessore di 0,01 mm

• Dopo l’urto con gli atomi di oro, le particelle α, circa 10 000 volte più pesanti di un elettrone venivano raccolte da un apposito schermo capace di evidenziare la loro presenza.

ESPERIMENTO RUTHERFORD

L’esperimento di Rutherford.

• gran parte delle particelle α attraversava la

lamina senza subire alcuna deviazione;

• alcune particelle venivano deviate di angoli

più o meno grandi rispetto alla direzione

L’esperimento di Rutherford

osservazioni

più o meno grandi rispetto alla direzione

iniziale (angoli di diffusione);

• pochissime rimbalzavano indietro, erano cioè

riflesse dalla lamina; quelle che rimbalzavano

indietro lo facevano con grande violenza.

• L’atomo è composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate la carica positiva e la massa dell’atomo;

• il diametro del nucleo (10−15 m) è circa 100 000 volte più piccolo del diametro dell’atomo (10−10 m);

• i leggerissimi elettroni occupano lo spazio vuoto

L’esperimento di Rutherford

conclusioni

• i leggerissimi elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo;

• gli elettroni, carichi negativamente, ruotano intorno al nucleo come pianeti intorno al Sole;

• il numero degli elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo.

5. La struttura degli atomi

Modello atomico di Rutherford.

5. La struttura degli atomi

Il numero di protoni.

L’atomo di Bohr (1913)

Quale relazione esiste tra

radiazione luminosa e struttura

atomica?

• L’emissione di luce da parte dei gas rarefatti avviene a seguito dell’energia che la scarica elettrica trasferisce agli atomi costituenti i gas. Gli atomi, così eccitati, restituiscono quasi interamente questo surplus di energia sotto

L’atomo di Bohr (1913)

interamente questo surplus di energia sotto forma di luce avente spettro discontinuo.

• gli atomi possono assorbire o emettere soltanto certi fotoni, associati a precise frequenze

• Un fotone che viene assorbito da

un atomo cede tutta la sua

energia a uno degli elettroni che

passa così a uno stato energetico

più elevato.

L’atomo di Bohr

(1913)Gli elettroni si muovono lungo orbite

privilegiate (stazionarie) caratterizzate

ognuna da una ben definita quantità di

energia

Si verificano emissioni di energia sotto

forma di onde elettromagnetiche, solo

quando un elettrone “salta” da un’orbita

ad energia maggiore ad un’altra ad energia

minore

L’energia è “quantizzata” , cioè l’elettrone può esistere solo su di un determinato livello energetico e non tra un livello e l’altroenergetico e non tra un livello e l’altro

• L’elettrone percorre soltanto determinate orbite circolari, chiamate orbite

stazionarie. Quando un elettrone ruota su un’orbita stazionaria, non

assorbe e non emette energia. L’atomo è pertanto stabile e l’elettrone

(negativo) non cadrà mai sul nucleo (positivo).

• All’elettrone sono permesse solo certe orbite, a cui corrispondono

determinati valori di energia. Quest’ultima è tanto più grande quanto più

ampia è l’orbita, poiché l’energia potenziale dell’elettrone aumenta

all’aumentare della sua distanza dal nucleo. L’elettrone di un atomo non

può assumere tutti i valori di energia, ma solo quelli corrispondenti alle

orbite permesse; per questo si dice che la sua energia è quantizzata.

• Per passare da un’orbita a un’altra di livello energetico più elevato, • Per passare da un’orbita a un’altra di livello energetico più elevato,

l’elettrone assorbe energia. L’energia può essere fornita, per esempio, dal

calore, da una scarica elettrica o dall’assorbimento di fotoni di opportuna

frequenza.

• Per passare da un’orbita a un’altra di livello energetico più basso,

l’elettrone emette un fotone di opportuna frequenza. Se la frequenza

appartiene alla parte visibile dello spettro elettromagnetico, ci appare

come riga colorata nello spettro a righe

• L’energia del fotone emesso o assorbito corrisponde alla differenza di

energia tra le due orbite

I saggi alla fiammaIn accordo col modello atomico di Bohr (più in generale con tutti i modelli atomici

che prevedono elettroni disposti su livelli energetici “quantizzati”), gli atomi di un

metallo esposto alla fiamma spostano alcuni loro elettroni, eccitati, su orbite di livello

energetico maggiore; ritornando allo stato fondamentale, emettono l’eccesso di

energia sotto forma di fotoni di lunghezza d’onda caratteristica e differente per ogni

metallo, generando così colorazioni della fiamma diverse che consentono di

riconoscere il metallo saggiato.

Teoria quanto-

meccanica

• De Broglie, Heisemberg e Schrodinger , negli

anni ‘30, contribuirono a superare i limiti della

teoria di Bohr e diedero un notevole contributo

alla nascita della teoria quanto-meccanica

dell’atomo.dell’atomo.

– agli elettroni si può attribuire una duplice natura

ondulatoria e corpuscolare.

– non è possibile conoscere contemporaneamente

velocità e posizione dell'elettrone

– Una equazione permette di rappresentare

l'elettrone come una nube di carica negativa

– Viene denominato orbitale atomico la regione di

spazio intorno al nucleo dove è massima la

probabilità di trovare l'elettrone

Gli orbitali

• Gli orbitali hanno forme diverse:

• TIPO s : CIRCOLARE

• TIPO p : forma ellittica (due gocce tangenti,

nelle tre direzioni dello spazio, x,y,z)

• TIPO d e f : la forma è simile ma gli

orientamenti nello spazio sono orientamenti nello spazio sono

rispettivamente 5 e 7.

�� L’energia di ogni orbitale è L’energia di ogni orbitale è sempre diversa da un altrosempre diversa da un altro

�� Tra il livello 3 ed il livello 4 Tra il livello 3 ed il livello 4 vi è vi è una sovrapposizione dei livelli una sovrapposizione dei livelli energetici energetici

�� Gli elettroni si sistemeranno Gli elettroni si sistemeranno �� Gli elettroni si sistemeranno Gli elettroni si sistemeranno sempre al livello energetico più sempre al livello energetico più basso se non è occupatobasso se non è occupato

�� Nel riempimento elettronico si Nel riempimento elettronico si dovrà procedere cominciando dovrà procedere cominciando dal livello più basso e dal livello più basso e procedere verso il successivoprocedere verso il successivo

Configurazione elettronica

• Con il termine configurazione elettronica di un elemento si

intende la descrizione della disposizione degli elettroni nei

suoi orbitali.

• Per descrivere la configurazione elettronica, ogni orbitale

viene rappresentato convenzionalmente con un quadratino

all'interno del quale vanno inseriti gli elettroni rappresentati all'interno del quale vanno inseriti gli elettroni rappresentati

con frecce verticali rivolte verso l'alto o verso il basso.

• A ciascun orbitale viene associata una sigla composta da un

numero e da una lettera. Il numero indica il livello di energia

al quale l'orbitale appartiene e può assumere qualsiasi valore

intero compreso tra 1 e 7. La lettera (s, p, d, f) indica il tipo di

orbitale.

PRINCIPIO DIESCLUSIONE DEL PAULI

Gli elettroni vengono indicati da frecce orientate in modo opposto

Wolfgang Pauli

opposto (SPIN OPPOSTO O ANTIPARALLELO)

Orbitali e tavola periodica

Quando devono essere riempiti degli orbitali isoenergetici ad esempio i treorbitali p di un certo livello, gli elettroni si dispongono prima con spin parallelouno per orbitale (spaiati) e solo se il loro numero lo consente vannosuccessivamente a saturare gli orbitali. Costruiamo ad esempio la configurazioneelettronica dell'elemento avente Z = 8, corrispondente all'ossigeno. Dobbiamo sistemare8 elettroni. I primi due verranno sistemati nell'orbitale 1s, altri 2 nell'orbitale 2s e irimanenti quattro nei tre orbitali 2p, ottenendo

La configurazione elettronica dell'ossigeno si scrive:1s2 2s2 2p4