Le particelle Le particelle dell’atomodell’atomo

Modulo 3 U.D. 1Modulo 3 U.D. 1Chimica Chimica

Prof. Augusto FestinoProf. Augusto FestinoLiceo Scientifico “G. Salvemini”Liceo Scientifico “G. Salvemini”

A.S. 2005/06A.S. 2005/06

La natura elettrica della materiaLa natura elettrica della materia Le particelle fondamentaliLe particelle fondamentali I modelli atomici di Thomson e I modelli atomici di Thomson e

RutherfordRutherford Numero atomico, numero di massa e Numero atomico, numero di massa e

isotopiisotopi Il nucleo dell’atomo e le sue Il nucleo dell’atomo e le sue

trasformazioni (facoltativo)trasformazioni (facoltativo)

J.J. THOMPSONJ.J. THOMPSON

Nel 1897 identifica nei Nel 1897 identifica nei raggi catodici raggi catodici le particelle le particelle più piccole che formano la materia: gli più piccole che formano la materia: gli elettronielettroni

Gli elettroni hanno una massa di Gli elettroni hanno una massa di 9,19,1·10·10-28-28 grammi grammi,, pari a circa pari a circa 1/20001/2000 dell’atomo più leggero, dell’atomo più leggero, idrogeno idrogeno HH

portano una portano una carica di segno (carica di segno (– )– ) pari a pari a 1,6·101,6·10-19-19 coulombcoulomb

hanno sempre le stesse caratteristiche, qualunque hanno sempre le stesse caratteristiche, qualunque sia il materiale da cui provengonosia il materiale da cui provengono

e-

H+

Esperimento di Thomson

Scoperta dell’elettrone

Animazione esperimento di Thomson

MODELLO A “PUDDING”MODELLO A “PUDDING”Thomson nel 1906 presentò il Thomson nel 1906 presentò il modello modello

dell’atomodell’atomo come come un insieme di particelle con un insieme di particelle con carica carica

positivapositiva, massicce e voluminose, tra , massicce e voluminose, tra le quali si muovevanole quali si muovevano

gli gli elettronielettroni, con massa molto , con massa molto inferiore e con inferiore e con carica negativacarica negativa ma ma uguale a quella delle particelle uguale a quella delle particelle positive per cui positive per cui

l’atomo elettricamente neutro è l’atomo elettricamente neutro è formato da parti positive e negative formato da parti positive e negative in numero ugualein numero uguale

Ernest RUTHERFORDErnest RUTHERFORD

Nel 1899 inizia a studiare la natura Nel 1899 inizia a studiare la natura delle radiazione delle radiazione αα e e ββ emesse da emesse da elementi radioattivielementi radioattivi

Particelle Particelle ββ sono gli elettroni - sono gli elettroni - ee-- -- Particelle Particelle αα sono nuclei di elio con sono nuclei di elio con

due cariche positive - Hedue cariche positive - He++++ - -

eββ

+

+αα

Esperimento di Esperimento di RutherfordRutherford

se esistono atomi che se esistono atomi che “si spezzano” “si spezzano” spontaneamente, come spontaneamente, come dimostrato dagli dimostrato dagli esperimenti dei esperimenti dei CurieCurie e e di di Becquerel Becquerel sulla sulla radioattività (Nobel radioattività (Nobel 1903)1903) è possibile “rompere” è possibile “rompere” artificialmente l’atomo artificialmente l’atomo in laboratorioin laboratorio e dall’analisi dei e dall’analisi dei “pezzi” ricavarne la “pezzi” ricavarne la strutturastruttura

una una foglia d’orofoglia d’oro è è costituita da pochi costituita da pochi strati di atomi strati di atomi voluminosi e massicci voluminosi e massicci (modello di Thomson)(modello di Thomson)

una sorgente una sorgente radioattiva di particelle radioattiva di particelle αα -come il -come il poloniopolonio-- funge da funge da “mitragliatrice”“mitragliatrice”

si studiano i si studiano i “frammenti” degli atomi “frammenti” degli atomi di oro colpiti e spezzatidi oro colpiti e spezzati

ipotesiipotesi Progetto di esperimentoProgetto di esperimento

Esperimento di Esperimento di RutherfordRutherford

procedimentoprocedimentomaterialemateriale

polonio che emette polonio che emette particelle particelle αα

foglia d’orofoglia d’oro

contattore Geiger contattore Geiger montato su montato su meccanismo che meccanismo che ruota attorno alla ruota attorno alla laminalamina

Animazione 1

Animazione 2

Esperimento di Esperimento di RutherfordRutherford conclusioniconclusioni

quasi tutta la massa dell’atomo occupa una quasi tutta la massa dell’atomo occupa una ridottissima porzione del suo volume totale, ridottissima porzione del suo volume totale, al centro al centro nucleonucleo

esso è costituito da particelle positive-esso è costituito da particelle positive-protoniprotoni- e probabilmente da altre - e probabilmente da altre neutreneutre . .

Il Il nucleonucleo è, perciò, elettricamente è, perciò, elettricamente positivopositivo

gli gli elettronielettroni, dotati di , dotati di carica elettrica carica elettrica negativanegativa,, ruotano su orbite a grande ruotano su orbite a grande distanza dal nucleo, come pianeti attorno al distanza dal nucleo, come pianeti attorno al solesole

quando protoni ed elettroni sono nello quando protoni ed elettroni sono nello stesso numero, l’atomo è elettricamente stesso numero, l’atomo è elettricamente neutroneutro

modello atomico di modello atomico di Rutherford (1911)Rutherford (1911)

- - nel nel nucleonucleo è concentrata tutta è concentrata tutta lalacarica positivacarica positiva dell’atomo e la dell’atomo e la gran parte della massagran parte della massa di esso di esso

raggio dell’atomoraggio dell’atomo 10 10-8 -8 cmcm raggio del nucleo raggio del nucleo 10 10-12 -12 cmcm - la - la carica del nucleocarica del nucleo

corrisponde al corrisponde al numero dei numero dei protoniprotoni che contiene e viene che contiene e viene chiamatachiamata

il nucleo è 10.000 volte più piccolo dell’intero atomo di cui fa parte

10-12

= 10-4

10-8

NUMERO ATOMICONUMERO ATOMICO

gli elettroni vengono trattenuti

dal nucleo mediante

forze di natura elettrostatica

(coulombiane)

particelle particelle subatomichesubatomiche

NOMENOME dove dove si si

trovatrova

cariccaricaa

quantitàquantità

(coulom(coulomb)b)

massamassa(grammi(grammi

unità unità chimica)chimica)

scopritorescopritore datadata

+

-

protonprotonee

nucleonucleo ++1,91,91010-19-19

1,67231,6723 1010-24 -24

gg

11

E.RutherforE.Rutherfordd

19111911

neutroneutronene nucleonucleo 00

1,67451,6745 1010-24 -24

gg

11

J. ChadwichJ. Chadwich 19321932

elettroelettronene

spazio spazio esterno esterno al al nucleonucleo

--1,91,91010-19-19

9,10969,10961010-28 -28 gg

1/18361/1836J.J. J.J. ThomsonThomson

18971897

Esercizio

Esercizio 1Esercizio 1Esercizio 2Esercizio 2

Atomi, Molecole e IoniAtomi, Molecole e Ioni

ParticleParticle LocationLocation WeightWeight ChargeCharge

ProtonProton NucleusNucleus 1.0073 amu1.0073 amu PositivePositive (+1)(+1)

NeutronNeutron NucleusNucleus 1.0087 amu1.0087 amu NeutralNeutral

ElectronElectronss

Electron Electron CloudCloud 0.000549 amu0.000549 amu

NegativNegativee

(-1)(-1)

Nota: visto che gli atomi hanno un numero uguale di elettroni e protoni, non hanno una carica elettrica netta

1 amu = 1.66054 x 10-24 g

Atomi, Molecole e IoniAtomi, Molecole e Ioni

• Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo

• Siccome la carica netta di un atomo è 0, l’atomo deve contenere un numero uguale di elettroni

• E i neutroni? Il loro numero può variare. Gli atomi che differiscono solo nel numero di neutroni si chiamano isotopi. Visto che il neutrone ha una massa di 1.0087 amu (il protone è 1.0073), diversi isotopi hanno diverse masse.

Esercizio sugli isotopi 1

Esercizio sugli isotopi 2

Esercizio sulla struttura atomica

Atomi, Molecole e IoniAtomi, Molecole e Ioni

Tutti gli atomi di carbonio (C) hanno 6 protoni e 6 elettroni. Il numero di protoni dell’atomo di carbonio si denota in basso a sinistra del simbolo atomico:

Questo numero è chiamato numero atomico (Z) e siccome è sempre 6 per il carbonio è ridondante e usualmente si omette. Un altro numero, il numero di massa (A) esprime la somma di protoni e neutroni presenti nel nucleo:

N. Neutroni = 12 -6 = 6 N. Neutroni = 14 -6 = 8

Carta di identità di un elemento

6C

12simbolo dell’elemento

Numero di massa (A)

numero protoni (Z)+

numero neutroni

Numero atomico (Z)

Numero protoni

Numero atomico e numero di massa

numero protoni = numero elettroni

atomo elettricamente neutro

NUMERO ATOMICO (Z )numero protoni

Identifica l’elemento : è uguale in tutti gli atomi di un elemento

numero neutroni

può essere diverso in atomi dello stesso elemento

si ricava : A Z

• il numero di neutroni del nucleo di atomi dello stesso elemento può variare ma non variano le proprietà chimiche dell’elemento

• atomi dello stesso elemento (stesso numero atomico) possono avere diverso numero di massa

• occupano lo stesso posto (ίσος τόπος) nella tavola che classifica gli elementi in base al numero atomico (v. tavola periodica)

• per questo sono chiamati

isotopi

isotopi

Figure 3.10: Two Figure 3.10: Two isotopes of sodium.isotopes of sodium.

Isotopi H e C

i 3 isotopi dell’idrogeno

stesso numero atomico (Z=1)

diverso numero di massa: 1, 2, 3

i 3 isotopi del carbonio

stesso numero atomico (Z=6)

diverso numero di massa: 12, 13, 14

massa atomica relativa e peso atomico• unità di massa atomica ( u.m.a. o dalton) = 1/12 dell’isotopo 12 del carbonio (12C)• massa atomica relativa = rapporto tra la massa di un atomo e l’ u.m.a.

media, in base alle frequenze, delle masse atomiche

degli isotopi dell’elemento

peso atomicopeso atomico

peso atomico dell’idrogeno

1,0079

peso atomico del carbonio

12,011

1H:99,985% 2H: 0,015%

12 C: 98,89% 13C: 1,11% 14C: instabile

3H: instabile

FineFine