Lo stesso Thomson, cui si deve la scoperta degli elettroni (1897), propose un nuovo modello per l’atomo.Dato che gli elettroni non possono che trovarsi negli atomi... visto, poi, che la materia è normalmente elettricamente neutraneutra, l’atomo deve essere neutro, quindi esso deve contenere una carica positiva tale da annullare quella negativa degli elettroni.Il modello proposto fu quello di una sfera piena, la cui matrice è uniformemente carica positiva ++, con al suo interno, disposti in modo omogeneo, gli elettroni carichi negativi – – (J. J. Thomson 1904).

Il modello appariva molto semplice, poco credibile, tanto che negli ambienti scientifici fu «battezzato» con il nome di modello a panettone con l’uvettamodello a panettone con l’uvetta

Sempre alla fine del 1800, si era scoperto uno strano fenomeno legato a particolari minerali: la radioattività radioattività (Becquerel, Curie).Nel 1899 Rutherford dimostrò che alcune pietre radioattive (come i sali di l’uranio) «emettono» spontaneamente particelle molto più pesanti dell’elettrone e aventi carica doppia positivadoppia positiva: le particelle alfa particelle alfa (αα2+2+). Ideò un esperimento fondamentale per la comprensione della struttura dell’atomo.Pose in un contenitore di piombo (blocca le radiazioni) dei frammenti di Pitchblenda (una roccia minerale ricca di materiale radioattivo, principalmente polonio) emettenti raggi αα2+2+.

Attraverso una fenditura (o foro), le radiazioni venivano proiettati e indirizzati contro un foglio (schermo) rivestito di materiale scintillante (brilla se colpito dalle particelle αα2+2+).Tale foglio era ricurvo a formare quasi un cerchio davanti al foro.

Il raggio uscente incideva solo su una zona centrale, molto ristretta, del foglio: i raggi αα seguivano un percorso retto.

Ponendo di fronte alla fenditura, al centro del cerchio, un lamina d’oro lamina d’oro sottilissima (0,01 mm), si notarono segnali non solo nella zona centrale ristretta, ma anche diffusamente (con percentuali molto basse) su tutta la superficie e non solo dietro, ma anche davanti alla lamina d’oro, sebbene in percentuale bassissima.

Il fenomeno era sorprendente.Come lo stesso Rutherford dichiarò: «è come se, sparando con un cannone contro un foglio di carta, ogni 10.000 proiettili uno viene respinto indietro».

Perché molte αα2+2+ attraversano la lamina indisturbate?

Perché alcune vengono deviate? Perchè qualcuna addirittura

rimbalza indietro?

Attraversando la lamina, alcune particelle αα2+2+, quindi, venivano «deviate» rispetto al percorso naturale e, circa una ogni 10.000, veniva addirittura respinta indietro dalla lamina d’oro.

Per l’idea che si aveva della materia, essendo molto stipati tra loro (stato solido), gli atomi d’oro formerebbero una rete a maglie molto strette.

Le particelle αα2+2+, per passare oltre, devono attraversareattraversare gli atomi.

Ora, se l’atomo fosse fatto secondo il modello di Thomson…

La realtà, invece, era ben diversa: si registravano sempre apprezzabili deviazioni divergenti e, in particolare, repulsionirepulsioni.Occorreva ammettere, perciò, che le cariche elettriche non sononon sono omogeneamente distribuite.

…date le distribuzioni omogenee di entrambe le cariche elettriche, ogni zona dell’atomo risulterebbe neutra e tutte le particelle αα2+2+ passerebbero senza disturbi significativi.

Rutherford per mesi studiò il fenomeno, misurando le percentuali di particelle deviate e i relativi angoli di deflessione nonché calcolando le forze forze che le producono.Seguì diverse strade di indagine: Gli effetti d’urto tra corpi elettricamente positivi e un corpo neutroGli effetti nelle interazioni tra corpi elettricamente positivi e un magneteGli effetti nelle interazioni tra corpi elettricamente positivi e un corpo caricato caricato parimenti positivoparimenti positivo

Si arrivò, così, a proporre una spiegazione secondo la quale le particelle αα2+2+ sono deviate e respinte da una carica positiva carica positiva addensata in una zona ristretta al centro dell’atomo che Rutherford stesso chiamò nucleonucleo.

I suoi studi lo portarono a concludere che i valori degli angoli di deflessioneangoli di deflessione delle particelle αα2+2+ sparate contro lamine d’oro, si possono avere solo se causati dall’interazione con corpi carichi elettricamente positivi elettricamente positivi in cui la forza in gioco è

KKelel q q11xxqq22

rr22FFelel==Forza elettrica o di Coulomb

Si riuscì anche ad avere un’idea delle sue dimensioni: da 10001000 a 100.000 100.000 volte più piccolopiccolo dell’intero atomo.

Alcuni mesi dopo l’esperimento con la lamina d’oro, lo stesso Rutherford con altri colleghi, utilizzando un tubo di Crookes appositamente modificato e procedure analoghe a quello di Thomson, dimostrò l’esistenza dei raggi anodiciraggi anodici, raggi costituiti da particelle cariche positivamente positivamente molto più pesanti degli elettroni e aventi un rapporto q/m q/m dipendente dal materiale gassoso nel tubo. Anche la carica si rivelò variabilevariabile, ma sempre multiplamultipla di un valore assoluto pari a quella trovata per i raggi catodici: si parlò, allora, della presenza nel nucleo di particelle positive pesanti che chiamarono protoniprotoni.

I cationicationi vengono attratti dal catodo (-) e, attraversando il disco forato urtano contro l’estremità vetrosa del tubo di Crookes, provocando la fluorescenza verde (in questo casa dalla parte del catodo)

Gli ee-- dei raggi catodici nel loro percorso urtanourtano quelli degli atomi del gas in modo da farli «fuggir via» lasciando cariche positive sulle particelle di gas (cationicationi).

Anodo

Catodo

Sempre Rutherford rilevò che la massa dei raggi anodici ottenuti utilizzando gas elio elio non si accordava con il valore di carica positiva.Per la precisione si dimostrò che i nuclei di idrogeno hanno un solo un solo protone (singola carica positiva), mentre quelli di elio ne hanno duedue (doppia carica positiva). Tuttavia la massa calcolata dei raggi anodici di elio non è doppia rispetto a quelle dell’idrogeno, bensì quadrupla quadrupla (tra l’altro perfettamente uguale a quella dei raggi α2+) . Questo fatto portò Rutherford a ipotizzare l’esistenza, nel nucleo, di un terzo tipo di particella: il neutroneneutrone,L’esistenza di tali particelle fu dimostrata da un certo ChadwickChadwick: hanno carica elettrica nulla e massa paragonabile a quella dei protoni.

Teorizzata l’esistenza di un nucleo pesante positivo nucleo pesante positivo centrale, contenente protoni e neutroni, occorreva proporre un nuovo modello per l’intero atomo.Gli elettroni, data la massa ridottissima, nonché la scarsissima influenza sui raggi αα2+2+ , furono immaginati come particelle molto più piccole del nucleo e disposti attorno ad esso.Data l’enorme differenza tra dimensioni del nucleo e quelle dell’atomo intero, per gli elettroni rimaneva disponibile uno spazio molto ampio (in pratica dentro l’atomo c’è del vuotovuoto e per giunta grande!). L’enorme spazio vuoto attorno al nucleo ben si accordava con il fatto che la stragrande maggioranza di particelle αα2+2+ attraversava indisturbata la lamina d’oro

Questa «disposizione» nello spazio delle due diverse cariche elettriche costituenti l’atomo era l’unica che poteva giustificare i risultati dell’esperimento di Rutherford, ma poneva un nuovo problema:

Se hanno carica elettrica opposta al nucleo, perché gli elettroni, molto più piccoli e più leggeri, si mantengono a distanza e non vi precipitano, attratti dalla forza di Coulomb?

Dato che la forza elettrica elettrica è analoga a quella gravitazionalegravitazionale… …come i pianeti riescono a resistere all’attrazione del sole grazie alla forza centrifugaforza centrifuga dovuta al loro moto di rivoluzione ……così gli elettroni resistono all’attrazione nucleare grazie ad un moto orbitalemoto orbitale.

Il modello proposto da Rutherford venne proprio indicato come

Modello PlanetarioModello Planetario.

FFgg== G mG m11xxmm22

rr22FFelel==- K- Kelel q q11xxqq22

rr22 ≈≈

La risposta di Rutherford era scontata:

Affermare che gli elettroni, negativi, sono separati separati dal nucleo, positivo, e vi orbitano orbitano attorno non fu cosa «da poco».

Se un corpo è soggetto ad una forza FF che tende a farlo avvicinare (o allontanare), ma si

mantiene a distanza r r, contiene energia potenziale U=FU=Fxxrr.

Se un corpo è in moto, contiene energia cinetica EEcc =½ m =½ mxxvv22

Rutherford con il suo modello in cui piccolissimi corpi, gli elettroni, orbitano attorno al nucleo, quindi, affermava che, oltre a massa massa e volumevolume, l’atomo contiene energia, energia, sia

cinetica cinetica che potenziale potenziale. EETT = U + E = U + Ecc

Considerando l’atomo più semplice, l’idrogenoidrogeno, per il quale si dimostrò l’esistenza di un solo elettrone ee--, quindi di un solo protone pp++ avente pari valore di carica elettrica (l’atomo è neutro), applicando le teorie fisiche classiche della meccanicameccanica (Newton) e dell’elettromagnetismoelettromagnetismo (Maxwell), lo scienziato spiegò matematicamente il suo modello planetario dell’atomo.

rr

+ _

L’ ee-- (qq22) , a distanza r dal nucleo + nucleo + (qq11), è soggetto ad una forza di attrazione

FFelel==- K- Kelel q q11xxqq22

rr22(segno negativo =«attrazione»)

Mantenendosi a distanza rr, l’ e e-- ha energia potenziale

UUel el = F= Fel el x x r r = = - K- Kelel q q22

rr22XX rr

L’ ee- - e il pp+ + hanno carica di pari valore assoluto quindi, posso scrivere FFelel==- K- Kelel q q22

rr22

FFelel

UUelel = = - K- Kelel q q22

rrL’ ee- - , per non «cadere» sul pp++,, si muove su un orbita a distanza rr e con velocità v v .

vv22

rraacc== L’ ee- - , per 2° legge della dinamica, è soggetto ad una forzaforza, in questo caso è quella centrifuga

FFcc

FFc c = m = m x x aacc = = m m xx vv22

rrVisto che l’ee-- mantiene costantemente la sua distanza dal pp++ , le due forze risultano

Quindi m m xx vv22

rr = -= - - K- Kelel q q22

rr22m m x vx v22 = = K

Kelel q q22

rr Se moltiplico entrambi per ½

½ m½ m x x vv22 = ½ = ½ KKelel q q22

rrMa so che EEc c = = ½ m ½ m xx v v22 quindi EEc c = ½ = ½

KKelel q q22

rr

FFcc = - F = - Felel

L’ ee- - risulterà, così, possedere due energie: quella potenziale UUelel e quella cinetica EEc c :

EETT = U= Uelel + E + Ecc = = - K- Kelel q q22

rr ++ ½½KKelel q q22

rr = - ½= - ½ KKelel q q22

rr

qq11qq22

Grazie a questa energia, l’elettroneelettrone si mantiene a distanza distanza dal nucleo.

Dato che la traiettoria è circolare, l’ e e-- subisce accelerazione centripetaVV