Introduzione alla struttura atomica 1

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LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA ATOMICA 1

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Democrito (460 – 370 a.C.)

Il termine atomo venne introdotto per la prima volta, su basi puramente speculative, dal filosofo greco Democrito

Tra gli altri filosofi greci l’unico che accolse l’atomismo fu Epicuro.

Epicuro (341 – 270 a.C.)

Questi ebbe trai suoi seguaci anche il poeta romano Lucrezio (95 – 55 a.c.), che espose tale dottrina nel De Rerum Natura, trasferendola così nella cultura romana, da cui fu quindi tramandata nei secoli successivi

I PRIMI ATOMISTI

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L’atomo tuttavia restò per molti secoli una entità puramente astratta, in quanto la sua esistenza reale non poteva essere in alcun modo né provata, né smentita.

Robert Boyle (1627 – 1691)

Nel corso del ‘600 gli esperimenti sulla comprimibilità dei gas del chimico inglese Robert Boyle rilanciarono l’atomismo, che fece nuovi proseliti, tra cui lo stesso Newton

PV = costante

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A fine ‘700 lo sviluppo della chimica, e delle sue applicazioni, pose l’esigenza di effettuare misurazioni accurate delle grandezze coinvolte nelle reazioni.

In particolare il chimico francese Antoine Laurent Lavoisier, cominciò ad applicare sistematicamente alle reazioni che studiava gli accurati metodi di misura fino ad allora appannaggio solo della fisica.

A. L. Lavoisier (1743 – 1794)

Lavoisier si convinse che durante le reazioni la massa non viene né creata, né distrutta, ma semplicemente trasferita da una sostanza all’altra.

Legge di Lavoisier o della conservazione della massa: in una reazione la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti.

LE LEGGI PONDERALI

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Applicando i metodi di Lavoisier, l’altro chimico francese, Joseph Louis Proust analizzò un numero molto elevato di campioni di una medesima sostanza, provenienti da luoghi diversi e/o ottenuti con procedimenti differenti.

Proust giunse alla conclusione che qualsiasi composto, indipendentemente dalla propria origine, contenesse proporzioni in peso definite e costanti degli elementi di cui era formato

J.L. Proust (1754 – 1826)

La composizione chimica costante evidenziava che i composti non potevano essere semplici miscugli di elementi: in tutti i miscugli infatti la percentuale dei vari componenti è variabile.

Si sarebbe potuto anche dire che gli elementi possedessero una precisa identità chimica e quindi, quando reagivano tra loro, “sapessero” già come combinarsi.

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“Un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante. La natura, anche quando agisce attraverso l’intervento dell’uomo, non produce mai un composto se non con la bilancia nelle mani, secondo il peso e la misura. Da un polo all’altro i composti hanno la medesima composizione. Il loro aspetto esteriore può essere differente, ma le loro proprietà non sono mai diverse. Non vediamo nessuna differenza tra l’ossido di ferro dell’emisfero sud e nord, il cinabro giapponese ha la stessa composizione di quello spagnolo, il cloruro di argento è assolutamente il medesimo, provenga esso dal Perù o dalla Siberia. In tutto il mondo esiste un solo cloruro di sodio, un solo salnitro, un solo solfato di calcio, un solo solfato di bario. L’analisi conferma ad ogni passo questi fatti.”

Legge di Proust o delle proporzioni definite (1799): Due elementi si combinano per formare un composto secondo un rapporto in peso definito e costante .

Tale regolarità suggerì l’esistenza di una struttura ordinata della materia, che nel suo comportamento non obbediva al caso, ma a regole precise

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LEGGI, MODELLI, TEORIE

Una legge fisica è una espressione che dice come avviene un certo fenomeno (anche se non dice perché)

Sperimentalmente essa individua una regolarità nel comportamento della natura e la descrive nel suo enunciato

Per trovare invece delle spiegazioni dei fenomeni dobbiamo immaginare “cose”, inventare modelli e rappresentazioni della realtà e provare se, mediante il loro impiego, si riesce a giustificare i fatti descritti dalle leggi

Un modello scientifico è un’invenzione concettuale (della mente umana) con caratteristiche esplicative (permette di interpretare e spiegare fenomeni conosciuti, come quelli descritti dalle leggi) e predittive (consente di prevedere fatti e fenomeni futuri).

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4 parti di rame reagiscono sempre con una parte di ossigeno, secondo un comportamento regolare e prevedibile che rientra nella legge di Proust.

Perchè gli elementi non possono combinarsi secondo proporzioni variabili?

Se la natura della materia fosse continua, la legge di combinazione del rame con l’ossigeno sarebbe difficile da spiegare.

Mischiando, ad esempio, liquidi miscibili in tutte le proporzioni, posso combinare a piacere quantitativi (pesi o volumi) qualsiasi delle sostanze, originando infinite soluzioni differenti.

Se invece la materia fosse suddivisa in porzioni fisse e invariabili (particelle ad esempio), la spiegazione sarebbe più semplice.

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John Dalton (1766 – 1844)

IL MODELLO ATOMICO DI DALTON

Nel 1808 il chimico inglese John Dalton propose un modello di struttura della materia capace di spiegare le leggi di Lavoisier e di Proust.

• la materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili che chiamate atomi

• l’atomo è la più piccola particella di un elemento

• le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi: gli atomi conservano sempre la loro identità e non vengono mai spezzati o distrutti

• ogni elemento è costituito da atomi tutti uguali tra loro per massa e dimensioni, elementi diversi sonocostituiti da atomi diversi; esistono quindi tanti tipi di atomi quanti sono gli

elementi;

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Applichiamo il modello atomico di Dalton alla sintesi dell’ossido di rame.

Se inoltre nelle reazioni gli atomi mantengono la loro integrità, la massa di essi che abbiamo all’inizio (reagenti) corrisponde esattamente alla massa di quelli che si hanno dopo la reazione (prodotti).

L’ossido di rame si forma solo quando un atomo di rame si unisce ad uno di ossigeno.

Un atomo di rame pesa 4 volte un atomo di ossigeno; il composto che si forma è

quindi esattamente costituito da 4 parti in peso di Cu ed una di O

Il modello atomico di Dalton spiega quindi la legge delle proporzioni definite.

Il modello atomico di Dalton spiega dunque anche la legge della conservazione della massa

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Alla fine dell’800, anche se il modello atomico della materia era ormai in grado di spiegare numerosi fenomeni, nessuno poteva ancora affermare con assoluta certezza l’esistenza degli atomi, né le loro caratteristiche.

I maggiori sviluppi in questo settore delle scienze vennero dallo studio delle relazioni tra materia ed elettricità.

Nel 1752 Benjamin Franklin aveva dimostrato che l’elettricità ottenuta dal cielo aveva le stesse caratteristiche di quella prodotta sulla Terra

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Tuttavia la natura dell’elettricità rimaneva ancora sconosciuta, così come quella della luce prodotta dal riscaldamento dell’aria conseguente alla scarica elettrica atmosferica

Un modo per approfondire l’argomento poteva essere quello di scaricare l’elettricità nel vuoto, per vedere come si presentava l’elettricità “nuda”, priva cioè di contatti con la materia dell’aria.

Solo però a metà ‘800 fu raggiunta la possibilità di generare forti scariche elettriche ed un vuoto sufficientemente spinto.

I tubi di Geissler 1855

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Eugene Goldstein (1876): il fenomeno è indipendente dalla natura del gas inizialmente presente nel tubo e dal tipo di metallo usato per gli elettrodi: nascono i raggi catodici

William Crookes (1878) i raggi catodici si muovono in linea retta

Tubi di Crookes

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BATTERIA

CATODO ANODO

+▬

+▬

Se emergono dal catodo allora sono negativi?

Quale è la natura dei raggi catodici?

L’ESPERIENZA DI THOMSON (1897)

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BATTERIA

CATODO ANODO

+▬

+▬

+

▬

+ ++ + ++ +

▬ ▬ ▬▬ ▬ ▬ ▬

L’ESPERIENZA DI THOMSON (1897)

Aggiungiamo una forza elettrica

Ogni raggio catodico porta una carica elettrica negativa

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Thomson suppose che un raggio catodico avesse carica pari alla carica elementare (1,6 • 10-19 coulomb), la più piccola carica elettrica possibile, pari alla quantità necessaria a produrre per elettrolisi un atomo di idrogeno

I raggi catodici stanno all’elettricità come gli atomi stanno alla materia (atomi di elettricità)

Nota la carica della particella catodica, Thomson riesce a determinarne la massa, che risulta pari a 1/1837 la massa dell’atomo più piccolo (quello di idrogeno)

I raggi catodici sono particelle subatomiche cui viene dato il nome di elettroni.

Se però gli elettroni sono carichi negativamente, ma gli atomi sono elettricamente neutri, dovevano esistere nell’atomo cariche elettriche positive capaci di neutralizzare quelle degli elettroni

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IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON (1898)

J.J. Thomson (1856 – 1940)

E’ la prima struttura atomica che tiene conto della carica elettrica

L’atomo è una minuscola sfera omogenea, dotata di carica positiva diffusa, entro cui sono incorporati gli elettroni in numero sufficiente da rendere nulla la carica totale

Tale modello è stato anche definito a panettone: la massa della pasta rappresenterebbe la carica positiva diffusa, mentre gli elettroni corrisponderebbero all’uvetta.

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Nel modello di Thomson l’atomo è pieno: la materia non conterrebbe cioè spazi vuoti

LA RADIOATTIVITA’: UNO STRUMENTO PER SONDARE L’ATOMO

Alla fine dell’800 il fisico francese Becquerel scopre casualmente che i composti dell’uranio emettono spontaneamente particelle, fino allora sconosciute, dotate di grande capacità di penetrazione nei corpi materiali

Si scopre poi che le particelle radioattive sono di tre tipi:

Particelle α:hanno due cariche positive ed massa quattro volte quella dell’atomo di idrogeno (in sostanza esse sono nuclei dell’elemento chimico elio)

Raggi β: sono elettroni molto veloci

Raggi γ : sono radiazioni dotate di grande energia, prive di massa ed elettricamente neutre.

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Sufficientemente piccole e penetranti, le particelle αsi rivelano un buono strumento per sondare la struttura dell’atomo

LE ESPERIENZE DI RUTHERFORD

Bombardamento con particelle α di sottilissime lamine di oro

Ernest Rutherford ( 1871 – 1937)

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Cosa ci si aspettava?

Se la massa, in accordo con Thomson, era distribuita uniformemente tutte le particelle αdovevano attraversare la lamina indisturbate

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Cosa ottenne?

“Fu il fatto più incredibile che mi fosse capitato…Era così incredibile come se sparando un proiettile di 15 pollici su un foglio di carta esso tornasse indietro e vi colpisse…”

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+

IL MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD (1911)

La carica positiva e quasi tutta la massa sono racchiuse nel nucleo centrale

Gli elettroni ruotano intorno al nucleo come i pianeti intorno al Sole

Il nucleo è piccolissimo (10-15m) in confronto al resto dell’atomo (10-10m)

L’atomo è praticamente vuoto