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1 Latomo. 2 I fenomeni elettrici Era già noto ai Greci che strofinando dellambra con un panno di lana, questultima era in grado di attrarre peli e fili.

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1 1 Latomo

2 2 I fenomeni elettrici Era già noto ai Greci che strofinando dellambra con un panno di lana, questultima era in grado di attrarre peli e fili di paglia. Anche altre sostanze, come il vetro, la bakelite e, attualmente, alcuni tipi di plastica, presentavano un comportameno simile allambra, il cui nome in greco è électron. Per questo motivo tali manifestazioni vennero chiamate fenomeni elettrici.

3 3 Questi comportamenti vennero considerati una semplice curiosità per molti secoli. Solo a partire dal XVII secolo vennero studiati e spiegati ammettendo la produzione, durante lo strofinio, di cariche elettriche. Poiché ambra e vetro elettrizzati attraevano sostanze diverse si attribuì carica positiva allambra carica negativa al vetro.

4 4 Gli studi condotti da Charles-Augustin de Coulomb ( ) sullinterazione tra corpi dotati di carica elettrica consentirono di concludere che:

5 5 Nel 1799, Alessandro Volta ideò un sistema che chiamò pila, perché costituito da una pila di dischi di rame, zinco e feltro imbevuto di acqua salata, sovrapposti. Con tale apparecchio, il fisico italiano riuscì a generare flussi intensi e continui di energia: ossia a trasformare in elettricità lenergia sviluppata nel corso di reazioni chimiche. elettricità; ne è un esempio lelettrolisi dellacqua, mediante la quale questultima viene decomposta in idrogeno e ossigeno. Successivamente, si riuscì a ottenere anche il contrario: far avvenire reazioni chimiche, attraverso limpiego di

6 6 Lelettrizzazione per strofinìo, la pila e lelettrolisi dimostravano che lelettricità, nei suoi diversi aspetti, è un fenomeno così diffuso da far pensare che la sua origine vada ricercata nella struttura intima della materia. In altre parole, si poteva ritenere che gli atomi stessi possedessero una natura elettrica. Questa nuova considerazione, però, contrastava con il modello di atomo ipotizzato da Dalton, che era invece privo di cariche.

7 Per comprendere la natura dellelettricità, si studiò il suo passaggio nei solidi, nei liquidi e nei gas. Grazie a questi studi J.J. Thomson scoprì che, in particolare condizioni, tutta gli elementi emettevano particelle negative molto più piccole del più piccolo atomo conosciuto e cioè dellatomo di idrogeno. H -

8 A tali particelle fu dato il nome di elettroni. Il tubo emettitore di elettroni si è evoluto nel corso del secolo scorso, dando origine al tubo al tubo catodico, che per lungo tempo è stato il costituente fondamentale dei televisori e dei monitor per computer.

9 9 Thomson si convinse che i risultati di tutte le esperienze dovevano avere uninterpretazione unica. Nel tubo di vetro la differenza di potenziale allontanava gli elettroni dagli atomi del gas, trasformando questi ultimi in ioni positivi. Entrambi i gruppi di particelle, elettroni e ioni positivi, si allontanavano dagli elettrodi con il loro stesso segno, generando i gruppi di particelle osservati. Si scoprì poi che venivano anche emessi corpuscoli con carica positiva la cui massa dipendeva dal gas presente nel tubo.

10 10 Intuitivamente, questo modello può essere paragonato a un panettone, nel quale i chicchi di uva passa possono rappresentare gli elettroni e la pasta la sfera di carica positiva. UD7 I primi modelli elettrone sfera di carica positiva Nel 1904, Thomson concluse che:

11 11 UD7 I primi modelli Successivamente E. Rutherford trovò che latomo non era compatto come fino ad allora si era ritenuto ma che: In pratica gli elettroni si muovono come i paianeti attorno al Sole e per questo si parla di «modello atomico planetario»

12 12 UD7 I primi modelli Per dare lidea delle dimensioni reciproche atomo/nucleo...

13 13 UD7 I primi modelli Latomo non è pertanto una sfera compatta, come riteneva Thomson, bensì un insieme di particelle relativamente molto distanti tra loro, tenute insieme da forze di attrazione elettrica. Risultò anche che i nuclei degli atomi di ogni elemento sono tutti costituiti da aggregati del più piccolo nucleo conosciuto, quello dellatomo di idrogeno, a cui venne dato nome di protone.

14 14 UD7 I primi modelli La composizione degli atomi La massa e la carica dei nuclei atomici non possono essere spiegati con la presenza dei soli protoni. Già Rutherford aveva dimostrato che i nuclei di elio sono quattro volte più pesanti di quelli di idrogeno, mentre hanno una carica solo doppia rispetto a questi ultimi. Per molto tempo si credette che nellatomo fossero presenti anche elettroni nucleari. Massa e carica dellelio, per esempio, venivano spiegate ipotizzando che il nucleo contenesse quattro protoni (il che avrebbe giustificato la massa) e due elettroni (che, neutralizzando parzialmente i protoni, avrebbero spiegato la carica). Ovviamente, altri due elettroni dovevano orbitare attorno al nucleo come aveva ipotizzato Rutherford.

15 15 UD7 I primi modelli La presenza dei neutroni nel nucleo risolve il problema della discrepanza tra i valori della massa e della carica dei diversi nuclei. Tale convinzione venne superata nel 1932 con la scoperta, compiuta dal fisico inglese James Chadwick, di una nuova particella: il neutrone.

16 16 UD7 I primi modelli I neutroni inoltre, privi di carica elettrica e interposti tra i protoni aventi carica positiva, li tengono separati, rendendone minima la reciproca repulsione. Più recentemente, si è scoperto che neutroni e protoni sono vincolati da una particolare forza, chiamata forza nucleare forte.

17 17 UD7 I primi modelli Le tre particelle fondamentali, protone, elettrone, neutrone, determinano nel loro insieme le caratteristiche e il comportamento degli elementi. boro azoto Un atomo per il quale Z = 2 ha due protoni ed è un atomo di elio (He). Poiché in un atomo neutro il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni, il suo numero atomico indica anche i suoi elettroni, dai quali dipendono le proprietà chimiche di un elemento.

18 18 UD7 I primi modelli I neutroni tengono uniti i protoni nel nucleo e determinano la massa dellatomo. Ciò significa che, conoscendo soltanto il numero di neutroni di un atomo, non è possibile identificare lelemento a cui appartiene. In base a quanto già conosciamo, possiamo affermare che: A = N + Z Per descrivere completamente un atomo è dunque necessario conoscere quanti protoni e quanti neutroni contiene il suo nucleo.

19 19 UD7 I primi modelli Per rappresentare un elemento (E) con il suo numero atomico (Z) e il suo numero di massa (A), si utilizza il simbolo: Molto frequentemente, il numero atomico degli elementi più usati viene memorizzato e questa simbologia viene espressa in modo più sintetico: Pertanto un atomo di ossigeno, caratterizzato da 8 neutroni e 8 protoni e quindi con Z = 8 e A = 16, viene rappresentato: Con questa simbologia sottintendiamo anche che sono presenti 8 elettroni.

20 20 UD7 I primi modelli La massa dellatomo viene determinata di fatto soltanto da neutroni e protoni, in quanto il contributo degli elettroni è assolutamente trascurabile. Studi effettuati successivamente hanno dimostrato che solo lelettrone è una particella fondamentale, mentre protone e neutrone sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark.

21 21 mappa UD7 I primi modelli Composizione atomi Gli studi sulla radioattività e sui raggi anodici avevano infatti messo in evidenza lesistenza di atomi di uno stesso elemento che si diversificano per la massa. Poiché tutti presentano le proprietà chimiche di quellelemento, essi occupano idealmente la stessa posizione in natura e furono perciò chiamati isotopi dal chimico e fisico inglese Frederick Soddy, nel 1910, utilizzando un termine, derivante dal greco, che significa che occupa lo stesso posto. Il motivo per cui gli isotopi di uno stesso elemento hanno massa diversa divenne chiaro quando furono scoperti i neutroni. Gli isotopi dellidrogeno, per esempio, contengono rispettivamente 0, 1 e 2 neutroni e si indicano nella notazione semplificata con 1 H, 2 H e 3 H.

22 22 UD7 I primi modelli Tutti e tre hanno lo stesso comportamento chimico poiché, avendo lo stesso numero di protoni, hanno anche lo stesso numero di elettroni, da cui dipendono, come abbiamo già detto, le proprietà chimiche di un elemento. Le proprietà fisiche invece sono diverse a causa del diverso numero di massa. Per esempio, lacqua ottenuta con deuterio ha una temperatura di fusione di 3,82 °C e una densità di 1,11. Questo spiega perché il ghiaccio formato da 2 H 2 O, (detta acqua pesante), immerso in acqua, va a fondo. acqua pesante acqua

23 23 UD7 I primi modelli Lesistenza degli isotopi consente di spiegare un dato apparentemente contraddittorio. Poiché la massa atomica coincide praticamente con la somma delle masse di neutroni e protoni, tutte particelle con massa molto vicina a u, il suo valore dovrebbe essere pressoché intero. Come si giustifica allora lesistenza di masse atomiche frazionarie come quella del rame, che è uguale a 63,54, o quella dello zinco, che è 65,37? In realtà, il valore riportato per ogni elemento nella tabella delle masse atomiche non si riferisce alla massa atomica di un particolare isotopo, ma rappresenta la media ponderale delle masse atomiche di ciascun isotopo presente nella miscela naturale. Pertanto tale valore riflette i differenti contributi di tutti gli isotopi costituenti la miscela di quellelemento.

24 24 mappa UD7 I primi modelli Composizione atomi

25 25 mappa UD7 I primi modelli Radioattività La stabilità dei nuclei: la radioattività Gli studiosi di chimica nucleare danno il nome di nuclide a una singola specie atomica caratterizzata da un numero definito di protoni e neutroni. Questa, per certi versi, è anche una definizione di isotopo. Se si costruisce un grafico dei nuclidi conosciuti, con il numero atomico (Z) in ascissa e il numero dei neutroni (N) in ordinata, vediamo che quelli stabili si raggruppano in una fascia.

26 26 UD7 I primi modelli Per bassi valori di Z, fino a circa 20, i nuclidi stabili sono caratterizzati da un ugual numero di neutroni e protoni, infatti si sovrappongono alla linea verde (N = Z). Al crescere del numero atomico, lo scostamento dei nuclidi dalla linea centrale indica che occorrono sempre più neutroni per mantenere stabile il nucleo. Oltre il bismuto (Z = 83), infine, non esistono più nuclidi stabili, indipendentemente da quanti neutroni siano presenti.

27 27 UD7 I primi modelli Tutti i nuclidi caratterizzati da valori che li pongono al di fuori della fascia di stabilità sono radioattivi, e per questo sono chiamati radionuclidi. Essi si tramutano spontaneamente in altri più stabili, dando così luogo a un decadimento radioattivo. La velocità con cui avviene un processo di decadimento si esprime frequentemente attraverso il tempo di dimezzamento (T 1/2 ), che cambia in relazione ai diversi nuclidi. Il tempo di dimezzamento del radionuclide 238 U, per esempio, è 4,5 · 10 9 anni. Ciò significa che 100 g di 238 U, dopo 4,5 · 10 9 anni, si riducono a 50 g. Trascorsi altri 4,5 · 10 9 anni ne rimangono 25 g e così via.

28 28 UD7 I primi modelli Nella Tabella è riportato il tempo di dimezzamento di alcuni radioisotopi, e anche il tipo di decadimento che essi subiscono.

29 29 UD7 I primi modelli La legge del dimezzamento è valida per qualsiasi trasformazione dei nuclei. A seconda della composizione di un nucleo, esso darà luogo a decadimenti radioattivi di tipo diverso, dei quali analizzeremo qui i più importanti.

30 30 UD7 I primi modelli Un altro esempio Z N

31 31 UD7 I primi modelli

32 32 UD7 I primi modelli Un altro esempio Z N

33 33 UD7 I primi modelli

34 34 UD7 I primi modelli Un altro esempio Z N

35 35 UD7 I primi modelli

36 36 UD7 I primi modelli Un altro esempio Z N


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