Capitolo 2 Cenni alla Composizione e Struttura...

19/07/2005 "Principi fisici alla base della formazione delle immagini

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Capitolo 2

Cenni allaComposizione

e Struttura dell’atomo

Master inin Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e rVerifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiaadioterapia


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AtomiAtomi, , MolecoleMolecole, e , e IoniIoni

L’idea L’idea di di Atomo Atomo è è antica antica come la come la civiltà occidentale civiltà occidentale ((Democrito Democrito e e LucippoLucippo, , ∼∼ 400 a.C.) 400 a.C.) ancheanche se per se per AristoteleAristotele tuttotutto era era riconducibilericonducibile a 4 a 4 elementielementi: : acquaacqua, , terra, aria e terra, aria e fuocofuoco. . Soltanto Soltanto negli negli ultimiultimi 15 15 anni anni è è divenuto possibiledivenuto possibile ““vederevedere” ” singoli singoli atomiatomi. .

EsempioEsempio: : atomiatomi di di Carbonio Carbonio all’interno della all’interno della grafitegrafite::

1Å=10-10m


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L’AtomoL’Atomo di Dalton di Dalton

La comprensione moderna della materia non è emersa fino al

1806 quando John Dalton presentò la sua “teoria atomica”:

n Ciascun elemento chimico è composto di atomi.

n Gli atomi di un dato elemento sono tutti gli stessi. Atomi di diversi elementi sono diversi.

n Durante una reazione chimica gli atomi coinvolti non sicreano nè si distruggono.

n I composti chimici si formano quando atomi di 2 o piùelementi si combinano insieme.


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Legge delle Proporzioni Legge delle Proporzioni MultipleMultiple

NeiNei composticomposti deglidegli elementielementi A e B le masse di A e A e B le masse di A e B B stannostanno in un in un rapportorapporto rappresentatorappresentato dada numerinumeriinteriinteri piccolipiccoli. .

AcquaAcqua (H(H22O): O): Acqua Ossigenata Acqua Ossigenata

((PerossidoPerossido di di IdrogenoIdrogeno HH22OO22):):

L’acqua ossigenata deve contenere il doppio della quantità di ossigeno contenuta nell’acqua, in quanto non si possono aggiungere parti di atomo ma solo multipli interi di essi.

idrogenog

ossigenog

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idrogenog

ossigenog

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Legge delle proporzioni multiple

Atomi del tipo X Atomi del tipo Y Composto con gli elementi X e Y


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La La scoperta della struttura scoperta della struttura dell’Atomodell’Atomo

IntornoIntorno allaalla metàmetà del 1800 del 1800 particelleparticelle carichecariche negativamentenegativamentee e chiamatechiamate elettroni elettroni furonofurono scoperte da scoperte da J.J. Thomson, J.J. Thomson, che che ne misuròne misurò il rapporto massail rapporto massa//carica elettrica utilizzando carica elettrica utilizzando un un tubotubo a a raggiraggi catodicicatodici, , dispositivodispositivo dada luilui inventatoinventato. .

Lastre cariche elettricamente

Schermo fluorescente

magnete

Tracce elettronicheAlta Tensione


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La La massamassa e la e la carica carica dell’elettronedell’elettrone

nn La La caricacarica, , negativanegativa, , dell’dell’elettroneelettrone fu fu misuratamisurata dadaRobert Robert MillikanMillikan nelnel corsocorso di un di un esperimentoesperimentopassatopassato allaalla storiastoria. . ConseguenzaConseguenza: : ““TutteTutte le le cariche elettriche esistenticariche elettriche esistenti in in Natura sono multipli interi della carica Natura sono multipli interi della carica dell’elettronedell’elettrone””..

nn Risultò cheRisultò che la la massamassa di un di un elettroneelettrone è circa 2000 è circa 2000 voltevolte piùpiù piccola piccola di di quellaquella dell’atomodell’atomo piùpiù leggeroleggero((idrogenoidrogeno).).


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EsperimentoEsperimento di Thomsondi Thomson

Generatore di Tensione

+-

Tubo a Vuoto

Elettrodi Metallici


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+-


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+-


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+-


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nn Dall’elettrodoDall’elettrodo negativonegativo ((catodo) a ) a quelloquellopositivopositivo ((anodo) ) si stabilisce una corrente si stabilisce una corrente elettrica ovvero elettrica ovvero un un moto ordinato moto ordinato di un di un fascio fascio di di cariche elettriche cariche elettriche negative. negative.



+-


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nn Dall’elettrodo negativoDall’elettrodo negativo ((catodo) a ) a quello quello positivopositivo ((anodo) ) si stabilisce una corrente si stabilisce una corrente elettrica ovveroelettrica ovvero un un moto ordinatomoto ordinato di un di un fasciofascio di di cariche elettrichecariche elettriche negative.negative.


+-Generatore

di Tensione


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Esperimento Esperimento di Thomsondi Thomson

Generatore di tensione

+-


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+-



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nn AggiungendoAggiungendo un campo un campo elettrico elettrico extra… extra…


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nn AggiungendoAggiungendo un campo un campo elettricoelettrico extra…extra…

+

-

Campo elettricoextra


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+

-

Campo elettrico extra


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+

-




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+

-




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+

-




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Esperimento Esperimento di Thomson di Thomson

+

-


nn … Thomson … Thomson trovòtrovò cheche i i portatoriportatori mobilimobili di di caricacarica (la (la correntecorrente) ) eranoerano carichicarichinegativamentenegativamente……


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Atomo Atomo di Thomsondi Thomson

Fatti Fatti sperimentali salientisalienti: :

nn Scoperta dell’elettroneScoperta dell’elettrone. .

nn InsuccessoInsuccesso nellanella scopertascopertadi di un’analogaun’analoga caricacaricapositivapositiva. .

nn NeutralitàNeutralità elettricaelettricadell’atomo dell’atomo

Modello a “panettone” dell’atomo

elettroni

Carica positiva


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““pezzipezzi” ” mancanti nel mancanti nel puzzle puzzle atomico atomico

Oggigiorno sappiamo che Oggigiorno sappiamo che un un atomoatomo, , oltre agli oltre agli

elettroni contiene ancheelettroni contiene anche::

n Protoni –– carichicarichi positivamentepositivamente e 1840 e 1840 volte volte più massicci degli elettronipiù massicci degli elettroni..

n Neutroni –– neutrineutri ma con ma con all’incicrcaall’incicrca la la stessastessa massamassa deidei protoniprotoni..

Ma dove Ma dove sisi trovanotrovano? ?


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Esperimento di Rutherford

nn Ernest Rutherford Ernest Rutherford fisicofisico ingleseinglese. (1910). (1910)nn PartìPartì dall’assunzionedall’assunzione cheche ilil modellomodello di Thomson fosse di Thomson fosse

correttocorretto..nn ProvòProvò a a misuraremisurare l’estensionel’estensione spazialespaziale di un di un atomoatomo. . nn Utilizzò Utilizzò la “la “radioattivitàradioattività”, ”, cioè particellecioè particelle αα, , cariche cariche

positivamentepositivamente, , rilasciate dallrilasciate dall’’Uranio. . nn Rutherford le Rutherford le usòusò come “come “proiettiliproiettili”, ”, sparandoli controsparandoli contro

una una lamina lamina d’orod’oro, , usatausata come come bersagliobersaglio, , sottilissimasottilissima, , spessa spessa solo solo qualche strato atomicoqualche strato atomico, e , e verificando il loro verificando il loro punto punto di di impatto su impatto su di di uno schermo fluorescenteuno schermo fluorescente. .


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blocco di piombo

Uranio

lamina d’oro

schermo fluorescente

Esperimento di Rutherford

setup sperimentale


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CiòCiò cheche Rutherford Rutherford sisi aspettavaaspettavaera era cheche::

nn Le Le particelleparticelle αα passasseropassassero attraversoattraverso la lamina la lamina senzasenzadeviaredeviare apprezzabilmenteapprezzabilmente dalla lorodalla loro traiettoriatraiettoria..

Perchè

nn le le carichecariche positive positive eranoerano distribuitedistribuite uniformementeuniformemente in in tutto iltutto il volume volume atomicoatomico..

In In In In poche poche poche poche parole, parole, parole, parole, secondo secondo secondo secondo Rutherford, Rutherford, Rutherford, Rutherford,

l’esperimento avrebbe dovuto l’esperimento avrebbe dovuto l’esperimento avrebbe dovuto l’esperimento avrebbe dovuto

svolgersi cosìsvolgersi cosìsvolgersi cosìsvolgersi così::::


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Rutherford si aspettava che


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Perchè …


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Perchè, secondo il modello di Thomson dell’Atomo la massa dell’atomo (regione verde) carica positivamente doveva essere distribuita uniformemente all’internodel volume atomico.


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“Bombardando” più atomi di oro doveva succedere qualcosa di simile …


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invece, Rutherford osservò che …


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Spiegazione di Rutherford del risultato sperimentale ottenuto:

+

§§ l’l’atomoatomo risulta risulta praticamentepraticamente vuotovuoto;;

§§ ContieneContiene, , nel centronel centro, un , un pezzettinopezzettino di di materiamateria ((nucleo), ), molto denso molto denso e e dotato dotato di di carica elettrica positivacarica elettrica positiva, in cui è , in cui è concentrataconcentratal’interal’intera massamassa; ;

§§ Le Le particelleparticelle αααα ((cariche positivamentecariche positivamente)) se se si si avvicinano abbastanza avvicinano abbastanza al al nucleo vengono vengono deviate in deviate in modomodo sostanzialesostanziale..


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InfattiInfatti

+


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La struttura dell’Atomo attuale

•Protoni (carica +)

•Elettroni (carica -)•Neutroni (non carichi)

ModelloModello di Thomson di Thomson

((uva passa nel panettoneuva passa nel panettone))ModelloModello di Rutherforddi Rutherford

((planetarioplanetario))

Modelli atomici


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L’AtomoL’Atomo e la e la sua Densitàsua Densitànn La La maggiormaggior parteparte delledelle particelleparticelle αααααααα , , carichecariche +, +,

passano indisturbatepassano indisturbate: : perciòperciò, la quasi , la quasi totalitàtotalità del del volume volume dell’atomo devedell’atomo deve essereessere praticamentepraticamentevuotavuota. .

nn Le Le deviazionideviazioni deidei proiettiliproiettili incidentiincidenti, , quandoquandoavvengonoavvengono, , sonosono significativesignificative: : perciò l’atomoperciò l’atomo devedeve contenere contenere un un pezzopezzo di di materiamateriacarico positivamentecarico positivamente, piccolo e , piccolo e massicciomassiccio. .

ConclusioniConclusioniConclusioniConclusioniConclusioniConclusioniConclusioniConclusioni ::

§§volume piccolo, volume piccolo, massamassa elevataelevata e, e, quindiquindi, , elevataelevatadensitàdensità. .

nn Rutherford Rutherford aveva scoperto il aveva scoperto il nucleonucleo dell’dell’atomoatomo. .


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L’Atomo ModernoL’Atomo Modernonn L’L’Atomo è è quindi quindi

praticamente vuotopraticamente vuoto;;nn È È suddivisosuddiviso in in due

regioni: : A. Nucleo, , caricocarico + + ::

protoniprotoni e e neutronineutroniB. Nuvola elettronica, ,

caricacarica -- : lo : lo spazio spazio dove “dove “può essere può essere trovatotrovato”” un un elettroneelettrone. .


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DimensioniDimensioni tipichetipiche dell’atomo dell’atomo

NucleoNucleo

∼∼∼∼∼∼∼∼1010--44ÅÅ

11--5 5 ÅÅ

ElettroniElettroni


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Dimensioni tipiche dell’atomo

nn Se un Se un atomoatomo sisi estendesseestendesse occupandooccupando uno uno stadiostadio da calcioda calcio (100 m) (100 m) il suoil suo nucleonucleo avrebbeavrebbele le dimensionidimensioni di di unauna bigliabiglia di di vetrovetro (1 cm). (1 cm).

nn La La densitàdensità di di materiamateria all’internoall’interno del del nucleonucleocontenentecontenente l’interal’intera massamassa dell’atomodell’atomo è è dell’ordinedell’ordine di di 1014 g/cm33 !!!!!!!!!!

nn ρρρρρρρρariaaria∼∼∼∼∼∼∼∼ 1010--3 3 g/cm33 (a 20(a 20 ooC C e e pressione atmosfericapressione atmosferica))

nn ρρρρρρρρsanguesangue∼∼∼∼∼∼∼∼ 11 g/cm33, , ρρρρρρρρferroferro∼∼∼∼∼∼∼∼ 8 8 g/cm33


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L’AtomoL’Atomo

E’ la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento.E’ composto da un nucleonucleonucleonucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso.

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