I primi modelli atomici

La nascita del termine "atomo"

Tra il 400 e il 300 a.C. il filosofo Democrito, e il suo maestro Leucippofondarono l'atomismo, una delle teorie più "scientifiche" dell'antichità.

atomi indivisibilivuoto

Le leggi fondamentali della chimica

Tra il 18° e il 19° secolo, gli scienziati Lavoisier, Proust e Daltonenunciarono le 3 leggi ponderali,

che furono alla base della prima teoria atomica.

Antoine Lavoisier(1743-1794)

Joseph Proust(1754-1826)

John Dalton(1766-1844)

la teoria atomica di Dalton (1803)

idrogeno(H)

carbonio(C)

ossigeno(O)

la teoria atomica di Dalton (1803)

C + O CO

C + O + O CO2

Gli studi sull'elettricità

Diversi esperimenti hanno domostratoun rapporto tra materia ed elettricità.

Talete(640 a.C./625 a.C. -548 a.C./545 a.C.)

Benjamin Franklin(1706-1790)

Alessandro Volta(1745-1827)

la carica elettrica

+ -F = k Q1 ⋅ Q2

d2legge di Coulomb

+ +

- -

F

F

F

carica di un corpo

corpo neutro

+

-

+

-

+

+-

+

--

corpo caricopositivamente

corpo cariconegativamente

relazione tra elettricità e materia

le forze tra gli atomi sono di natura elettrica

negli atomi ci sono particelle dotate di carica

l'atomo non è più una entità elementare e indivisibile

la carica elettrica

++ +- + - - -

La scoperta dell'elettrone

William Crookes(1832-1919)

Joseph Thomson(1856-1940)

Robert Millikan(1868-1953)

Tramite una serie di esperimenti effettuati sui gas rarefattisi è giunti alla scoperta degli elettroni.

il tubo di Crookes

catodo (-)

anodo (+)

gas rarefatto

raggi catodici

gli esperimenti di Crookes (I)

I raggi catodici:viaggiano in linea retta

non attraversano materiali solidi

gli esperimenti di Crookes (II)

i raggi catodici hanno una natura corpuscolare

(sono dotati di massa)

gli esperimenti di Crookes (III)

i raggi catodicihanno carica elettrica negativa.

+ + + + + + + +

- - - - - - - - - - -

catodo (-) anodo (+)

gli elettroni

I raggi catodici:

• viaggiano in linea retta

• hanno una massa, ovvero sono costituiti da particelle

• sono carichi negativamente

• non dipendono dal tipo di gas utilizzato: tutte le sostanze si comportano nello stesso modo

Le particelleche costituivano i raggi catodicifurono chiamate elettroni.Essi sono presenti

in tutta la materia.

carica e massa degli elettroni

Nel 1897, Joseph Thomson determinò il valore del rapporto tra la carica e la massa dell'elettrone.

Nel 1909, Robert Millikan determinòla carica dell'elettrone.

Essendo la minima quantità di carica esistente, è detta carica elementare.

Fu così possibile calcolare anchela massa dell'elettrone.

L'elettrone è la particella subatomica che possiede la più piccola massa e la più piccola quantità di carica elettrica esistente.

= 1,76 ⋅ 108 C/ge

me

e = -1,6 ⋅ 10-19 C(per convenzione si indica con -1)

me = = 9,1 ⋅ 10-31 kg e

1,76 ⋅ 108

La scoperta del protone

Joseph Thomson(1856-1940)

Wilhelm Wien(1864-1928)

Eugen Goldstein(1850-1930)

Alcuni nuovi esperimenti effettuati sui gas rarefattipermisero di identificare i protoni.

catodoforato (-)

anodo (+)

raggi catodici

l'esperimento di Goldstein

raggi anodici(o raggi canale)

la natura dei raggi anodici

Wien e Thomson impiegarono circa 20 anni di ricerche per capire che:

• i raggi canale erano costituiti da particelle con carica elettrica positiva

• il rapporto tra carica e massa di ogni particella dipendeva dal tipo di gas presente nel tubo

• la massa delle particelle era molto maggiore di quella degli elettroni e assumeva il valore più piccolo se il gas nel tubo era idrogeno

• se nel tubo vi erano altri gas, la massa delle loro particelle era sempre un multiplo della massa misurata per l'idrogeno

3. i cationi passano dai buchi e continuano verso il fondo del tubo

la natura dei raggi anodici

catodoforato (-)

raggi catodici (elettroni)

1. i raggi emessi dal catodo colpiscono gli atomi di gas presenti nel tubo facendogli perdere elettroni

2. gli atomi caricati positivamente (cationi) vanno verso il catodo (che è negativo)raggi anodici

i protoni

• hanno carica uguale a quella dell'elettrone, ma di segno opposto

carica = 1,6 ⋅ 10-19 C(per convenzione si indica con +1)

• hanno una massa che è 1836 volte maggiore di quella degli elettroni e che equivale a 1 u (1 unità di massa atomica)

massa = 1,6723 ⋅ 10-24 g

• furono definitivamente individuati nel 1914 e sono le particelle più piccole aventi carica positiva

modello a panettone(plum pudding)

il modello atomico di Thomson (1903)

l'atomo è una sfera con diametrodell'ordine di 10-10 m

la carica positiva(e la massa dell'atomo)è distribuita omogeneamente

gli elettronibilanciano la carica positiva(l'atomo è neutro)

La scoperta del nucleo atomico

Nel 1911, Rutherford, Geiger e Marsdenscoprono l’esistenza del nucleo atomico.

-

- -

--

-

++++++

Hans Geiger(1882-1945)

Ernest Rutherford(1871-1937)

Ernest Marsden(1889-1970)

l'esperimento di Geiger e Marsden (1911)

sorgentedi particelle

alpha (α)

lamina d'orosottilissima

(foglio) schermo per la rilevazione delle

particelle α

particelle α:• massa 4 volte quella

dell'idrogeno• doppia carica

positiva (+2)

interpretazioneosse

rvaz

ione

i risultati di Geiger e Marsden

1. la maggior parte dei raggi α oltrepassa la sottile lamina d'oro indisturbata

1. l'atomo è costituito soprattutto da spazio vuoto

2. alcuni raggi α vengono deviati dalla lamina d'oro

2. la carica positiva dell'atomo è molto concentrata

+

3. pochissimi raggi α vengono respinti dalla lamina d'oro

3. la carica positiva occupa uno spazio piccolissimo,il nucleo diametro atomo = 10-10 m

diametro nucleo = 10-15 m

++

+++++ +

modello planetario

il modello atomico di Rutherford

nel nucleo si concentrano i protoni(e quindi la carica positiva e la maggior parte della massa)

il nucleo è 100.000 voltepiù piccolo dell’atomo

gli elettroni occupano lo spazio vuoto attorno al nucleo e girano come i pianeti attorno al Sole

È il numero di protoni contenuti nel nucleo di un atomo;è diverso per ogni elemento.

In un atomo neutro corrisponde anche al numero di elettroni presenti.

H1idrogeno, z = 1 1 protone, 1 elettrone

He2elio, z = 2 2 protoni, 2 elettroni

C6carbonio, z = 6 6 protoni, 6 elettroni

il numero atomico (Z)

La scoperta dei neutroni

Nel 1932 un allievo di Rutherford, James Chadwich,confermò l’esistenza dei neutroni.

James Chadwick(1891-1974)

i neutroni

Per molti elementi, la massa atomica è circa il doppiodi quella che ci si aspetterebbe se ci fossero solo i protoni.

Chadwick bombardò un foglio di berillio con particelle α e si accorse che venivano emesse particelle che non erano deviate da campi elettrici o magnetici: erano quindi prive di carica.

massa del neutrone = 1,6745 ⋅ 10-24 g ≃ massa del protonecarica del neutrone = 0

I neutroni si trovano nel nucleo, assieme ai protoni.

Il numero totale di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un atomo èchiamato numero di massa: si indica con la lettera A.

Atomi di uno stesso elemento hanno sempre lo stesso numero Z,ma possono avere differenti numeri A.

H1 z = 1 A = 1 1 protone, 0 neutroni, 1 elettrone

Atomi che hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi.

Gli isotopi hanno le stesse proprietà chimiche, ma diverse proprietà fisiche.

1idrogeno

H2z = 1 A = 2 1 protone, 1 neutrone, 1 elettrone1deuterio

H3z = 1 A = 3 1 protone, 2 neutroni, 1 elettrone1trizio

il numero di massa

la massa atomica relativa tiene conto dell'abbondanza isotopica

L'abbondanza isotopica è la percentuale di un isotopopresente in un campione di un elemento chimico.

La massa atomica relativa (Ar) riportata sulla tavola periodicaderiva dalla media ponderata delle masse dei diversi isotopi.

isotopi massa atomica relativa (Ar)

abbondanza isotopica

35Cl 34,97 75,7%37Cl 36,97 24,3%

Ar(Cl) = = 35,45(34,97 ⋅ 75,7) + (36,97 ⋅ 24,3) 100 numero riportato

sulla tavola periodica

Particellasubatomica Simbolo Carica

elettrica (C)Carica

relativaMassa

(kg)Massa

relativa Posizione

elettrone e- -1,6 ⋅ 10-19 -1 9,11 ⋅ 10-31 1/1836 intorno al nucleo

protone p+ +1,6 ⋅ 10-19 +1 1,67 ⋅ 10-27 1 nelnucleo

neutrone n0 0 0 1,67 ⋅ 10-27 1 nelnucleo

nucleoni

le particelle subatomiche: riepilogo