Struttura atomica 3

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LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

STRUTTURA ATOMICA 3

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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 inizialmentne 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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I raggi catodici hanno dimostrato che i portatori di carica della corrente sono carichi negativamente

La corrente scorre quindi dal polo negativo verso quello positivo

L’ipotesi di Fraklyn era quindi sbagliata

La questione tuttavia è solo convenzionale

In fisica ed elettrotecnica si continua infatti a far andare la corrente dal polo positivo verso quello negativo

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Appariva ragionevole supporre che un raggio catodico avesse una carica pari alla carica elementare (1,6 • 10-19 coulomb), la più piccola carica elettrica possibile, corrispondente alla quantità di carica necessaria a produrre per elettrolisi un atomo di idrogeno o di un metallo

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.

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Per alcuni studiosi però gli elettroni non potevano ancora essere ritenuti parte della materia, perché l’elettricità non è materia bensì energia

La presenza degli elettroni nella materia consente una nuova interpretazione dell’elettrizzazione per strofinio e della corrente elettrica

Gli elettroni inoltre non potevano trovarsi all’interno dell’atomo, perché questo veniva ancora ritenuto indivisibile

RIPARLIAMO ANCORA UNA VOLTA DELL’ELETTROLISI

La corrente può attraversare certe soluzioni, dette per questo elettrolitiche (ad es. cloruro di sodio), mentre non può attraversarne altre, dette perciò non elettrolitiche (ad es. zucchero). Le sostanze disciolte sono dette invece, rispettivamente, elettroliti e non elettroliti

Faraday chiamo ioni (viandanti) ciò che intuiva viaggiasse in soluzione

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Svante Arrhenius (1859 – 1927)

PROPRIETA’ COLLIGATIVE DELLE SOLUZIONI

A parità di concentrazione, il cloruro di sodio (elettrolita) produce un abbassamento crioscopico doppio dello zucchero (non elettrolita)

Dissoluzione in acqua di un non elettrolita

I non elettroliti si sciolgono, ma non si dissociano: il numero delle particelle dipende unicamente dalla concentrazione

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Na+

Cl−

Cl−

Cl− Cl−

Cl− Na+ Cl− Na+Na+

Cl− Na+ Cl− Na+

Cl− Na+ Na+

Dissoluzione in acqua di un elettrolita

Gli elettroliti si sciolgono e si dissociano: il numero delle particelle è maggiore della concentrazione e dipende dalla composizione

Il cloruro di sodio si dissocia in due frammenti: atomi di cloro ed atomi di sodio, che tuttavia mostrano caratteristiche differenti dal cloro e dal sodio ordinari

Gli anioni sono atomi con elettroni in eccesso, i cationi sono atomi che hanno perduto alcuni degli elettroni che possedevano inizialmente

Gli atomi di cloro sono carichi negativamente (Cl­) e migrano verso l’anodo (anioni); gli atomi di sodio sono carichi positivamente (Na+) e migrano verso il catodo (cationi)

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L’EFFETTO FOTOELETTRICO

Ai primi del ‘900 si scopre che, in condizioni opportune, la luce che colpisce alcuni metalli provoca la liberazione di cariche elettriche negative

Lo zinco carico negativamente diventa neutro; lo zinco carico positivamente rimane positivo

Thomson riuscì a dimostrare che le particelle liberate erano elettroni

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Si generava tuttavia un nuovo problema:se gli elettroni sono carichi negativamente, ma gli atomi sono elettricamente neutri, devono esistere nell’atomo cariche positive capaci di neutralizzare quelle degli elettroni.

Allora, se da un atomo si rimuovono gli elettroni, ciò che resta è carico positivamente; viceversa, aggiungendo elettroni ad un atomo si ha un eccesso, rispetto alla situazione di partenza, e quindi risulta una carica negativa

Ciò spiega anche la formazione di anioni e cationi nell’elettrolisi

A questo punto apparve evidente che gli elettroni sono costituenti fondamentali della materia e sono presenti in ogni atomo

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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