Modelli atomici classici

La struttura interna dell’atomo

• I dati sperimentali che si andavano accumulando durante l'Ottocento suggerivano che l’atomo non fosse in realtà il costituente ultimo della materia (elementare), ma che possedesse una struttura interna costituita di particelle elettricamente cariche.

• I primi indizi si ebbero con la scoperta dell’elettrone e la constatazione che tale particella poteva essere estratta da qualsiasi tipo di atomo e doveva pertanto essere considerata un costituente comune di tutti gli atomi.

La struttura interna dell’atomo

• La scoperta dell’elettrone e di molte altre caratteristiche strutturali degli atomi avvenne grazie a una serie di esperimenti condotti sulla conduzione elettrica attraverso i gas rarefatti, mediante un’apparecchiatura ideata da William Crookes (tubo di Crookes o tubo di scarica).

Tubo di Crookes• È costituito da un tubo di vetro alle cui estremità sono saldati

due elettrodi metallici collegati con un generatore di corrente continua

• All’interno l’aria viene sostituita con un gas qualsiasi che viene sottoposto a una diminuzione di pressione (pompa del vuoto)

Tubo di Crookes• Finché la pressione è superiore a 0,4 atm tra i due elettrodi si

producono normali scariche elettriche simili ai fulmini atmosferici.

• Per pressioni inferiori (10 – 2 atm) il gas inizia a emettere luce il cui colore dipende dal tipo di gas (eccitazione).

• Con p < 10 – 6 atm il gas si spegne e il vetro dietro all’anodo emette una debole fluorescenza.

• Il fenomeno fu messo in relazione con radiazioni prodotte dal catodo (raggi catodici = fasci di elettroni)

Raggi catodicievidenze sperimentali

Le esperienze effettuate sui raggi catodici dimostrarono che

• Sono radiazioni corpuscolari e quindi possiedono massa (sono capaci di muovere un mulinello a pale).

Raggi catodicievidenze sperimentali

• viaggiano in linea retta dal catodo all’anodo (corpi interposti danno ombra).

Raggi catodicievidenze sperimentali

• Hanno carica elettrica (fanno divergere le foglie d’oro di un elettroscopio) negativa (sono attratte dal polo positivo di un campo elettrico).

Raggi catodicievidenze sperimentali

Hanno una massa e una carica elettrica costante e indipendente dal tipo di atomo da cui provengono (non variano al variare del metallo costituente il catodo e del tipo di gas contenuto nel tubo)

I raggi canaleGoldstein - 1886

• Nel 1886 Goldstein, usando un tubo di Crookes con catodo forato, rilevò dietro al catodo, una luminescenza provocata da radiazioni con movimento opposto a quello dei raggi catodici.

• Egli dimostrò che si trattava di particelle cariche positivamente (raggi canale).

I raggi canaleGoldstein - 1886

• Poiché la massa di tali particelle era diversa a seconda del gas contenuto nel tubo, si ritenne, correttamente, che i raggi canale fossero formati da cationi generati dall’urto degli elettroni della radiazione catodica con gli atomi di gas.

• La materia appariva dunque formata da una frazione positiva massiccia caratteristica di ciascun atomo, neutralizzata da particelle negative di piccola massa (elettroni) comuni a tutti gli atomi

Esperimento di Thomson – 1897• Nel 1897 J. J. Thomson, applicando a un fascio di raggi

catodici un campo elettrico e un campo magnetico perpendicolari tra loro e al fascio in modo da annullarne gli effetti, fu in grado di calcolare il rapporto tra la carica elettrica e la massa dell’elettrone.

• Il rapporto carica-massa Qe/me risultò 1,759·108 C/g

Esperimento di Thomson – 1897L’esperimento condusse a due fondamentali conclusioni:

• Il valore trovato era indipendente dalla natura chimica del catodo emittente e dal tipo di gas. Gli elettroni sono identici da qualunque tipo di materiale provengano e vanno considerati come costituenti universali degli atomi

• Il valore risultava 1836 volte maggiore del corrispondente rapporto carica-massa dello ione idrogeno, misurato tramite elettrolisi da Faraday QH/mH = 9,579·104 C/g. Nell’ipotesi che |Qe|=|QH|

Esperimento di Thomson

ConclusioniGli elettroni sono presenti identici in tutti gli atomi e ne costituiscono una frazione minima della massa, essendo 1836 volte più leggeri dell’Idrogeno, il più leggero degli atomi.

La Radioattività

• Nel 1896 Henri Becquerel, notando che dei Sali di Uranio avevano la capacità di impressionare lastre fotografiche protette, scoprì casualmente la radioattività dell’Uranio.

• Le sue ricerche vennero proseguite dai coniugi Curie e poi da

Rutherford, il quale per primo nel 1898 riconosce le radiazioni da lui chiamate α (alfa) e β (beta), emesse da elementi radioattivi.

La RadioattivitàPochi anni più si scoprì (tardi P. Villard) che tra le radiazioni

emesse da una sostanza radioattiva ve ne sono di un terzo tipo, chiamate γ (gamma), che si riconoscono simili ai raggi X.

• Gli esperimenti di deflessione in campi elettrici dimostrarono che la radiazione α è positiva (nuclei di Elio), la radiazione β negativa (elettroni), mentre la radiazione γ è neutra (elettromagnetica)

Il modello a panettone di Thomson1904

• Agli inizi del '900 vi erano sufficienti elementi sulla struttura dell’atomo per formulare un modello atomico coerente.

• Nel 1904 J.J. Thomson ipotizzò che gli atomi possedessero una struttura compatta, costituita da una massa carica positivamente uniformemente distribuita, all'interno della quale erano presenti i minuscoli elettroni, carichi negativamente, in numero tale da determinare l'equilibrio delle cariche e quindi la neutralità (modello a panettone)

Il panettone di Thomson

Rutherford e i decadimenti α e β

• Nel 1904 Rutherford dimostrò che durante l’emissione delle radiazioni alfa e beta (decadimenti), l’elemento radioattivo si trasforma in un elemento di peso e numero atomico diverso (trasmutazione in un altro elemento chimico).

• Durante un decadimento α un nucleo radioattivo (instabile) emette un nucleo di Elio (radiazione α) e si trasforma (o decade) nell'elemento che lo precede di due posti nella tabella periodica a causa della perdita di due protoni (e due neutroni).

Thomson e la scoperta degli isotopi1907

• Sottoponendo i raggi canale a condizioni sperimentali simili a quelle a cui aveva sottoposto gli elettroni per determinarne il rapporto e/m, Thomson scoprì che i cationi di uno stesso elemento venivano deviati su traiettorie diverse.

• Thomson ipotizzò correttamente che i raggi canale fossero costituiti da atomi dello stesso elemento con massa diversa (isotopi).

• È inoltre possibile calcolare le percentuali dei vari isotopi in base all’annerimento relativo della lastra fotografica che vanno a colpire.

Thomson e la scoperta degli isotopi1907

• Lo strumento utilizzato da Thomson è sostanzialmente analogo all’attuale spettrografo di massa che permette oggi di «pesare» le sostanze chimiche.

Esperimento di Millikan – 1909la carica dell’elettrone

• Millikan nebulizzò dell’olio tra le due armature di un condensatore e caricò negativamente le gocce tramite esposizione a raggi X.

• Variando l’intensità E del campo elettrico eguagliò la forza elettrica alla forza peso di una goccia (la goccia rimaneva sospesa) Eq = mg

• Stimò così la carica elettrica q di molte gocce verificando che essa era sempre un multiplo intero di una quantità elementare pari 1,6·10 – 19 C, carica che ipotizzò appartenere all’elettrone.

• Nota la carica dell’elettrone e il rapporto e/m fu quindi possibile ricavare il valore assoluto della massa dell'elettrone me = 9,1·10 – 28 g e quella dell’atomo di Idrogeno mH = 1836 me (e quindi dell’u.m.a.).

Rutherford e i decadimenti α e β

• Durante un decadimento β un nucleo radioattivo si trasforma, o decade, nell’elemento che lo segue di un posto nella tabella periodica, a causa della trasformazione di un neutrone del suo nucleo in un protone (che rimane nel nucleo), un elettrone (radiazione β) e un antineutrino che si allontanano dal nucleo.

Esperimento di Rutherford – 1911

• Per chiarire la reale distribuzione delle cariche positive e negative che costituiscono l’atomo è possibile studiare gli effetti di deflessione (scattering o diffusione) che queste producono su particelle-proiettile dotate di carica.

• Tale tecnica, divenuta oggi molto comune, fu utilizzata per la prima volta da Rutherford, il quale bombardò un sottile foglio d’oro con particelle .

Esperimento di Rutherford – 1911

• Il loro comportamento risultò sorprendente e incompatibile con il modello di Thomson il cui atomo, complessivamente neutro, non avrebbe dovuto produrre interazioni elettriche e quindi le deviazioni osservate.

• L’esperienza suggerisce che la struttura atomica sia estremamente rarefatta e che la diffusione sia provocata dalla repulsione tra particelle alfa incidenti e una carica positiva estremamente concentrata.

Il modello planetario di Rutherford1911

• Per giustificare i risultati dei suoi esperimenti, Rutherford propose dunque un nuovo modello atomico, detto modello planetario con gli elettroni che andavano a costituire una specie di corteccia esterna al massiccio nucleo positivo.

• Per non cadere nel nucleo attirati dalla carica positiva in esso presente gli elettroni negativi dovevano possedere energia cinetica.

Il modello planetario di Rutherford1911

• Da calcoli effettuati sulle percentuali e sugli angoli di deviazione, Rutherford giunse a calcolare che, mentre l’atomo doveva possedere un diametro dell'ordine di 10 –10 m, il nucleo avrebbe dovuto presentare un diametro dell'ordine di 10 –14 : 10 –15 m.

Problemi del modello planetario• Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo dovrebbero perdere energia cinetica sotto forma di emissione di radiazione elettromagnetica, come previsto dalle leggi dell’elettrodinamica, finendo per cadere sul nucleo.

• Inoltre gli atomi, in opportune condizioni, sono in grado di emettere e assorbire radiazione elettromagnetica secondo modalità che il modello planetario di Rutherford non era in grado di giustificare.

• Fu pertanto necessario introdurre un nuovo modello atomico. Ma prima di parlarne è necessario affrontare, sia pur brevemente, il problema della natura della radiazione elettromagnetica e dei fenomeni di interazione che essa manifesta con la materia.