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Struttura atomica 3 1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi STRUTTURA ATOMICA 3.

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2 Struttura atomica 3 1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi STRUTTURA ATOMICA 3

3 Struttura atomica 3 2 Alla fine dell800, anche se il modello atomico della materia era ormai in grado di spiegare numerosi fenomeni, nessuno poteva ancora affermare con assoluta certezza lesistenza 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 lelettricità ottenuta dal cielo aveva le stesse caratteristiche di quella prodotta sulla Terra

4 Struttura atomica 3 3 Tuttavia la natura dellelettricità rimaneva ancora sconosciuta, così come quella della luce prodotta dal riscaldamento dellaria conseguente alla scarica elettrica atmosferica Un modo per approfondire largomento poteva essere quello di scaricare lelettricità nel vuoto, per vedere come si presentava lelettricità nuda, priva cioè di contatti con la materia dellaria. Solo però a metà 800 fu raggiunta la possibilità di generare forti scariche elettriche ed un vuoto sufficientemente spinto. I tubi di Geissler 1855

5 Struttura atomica 3 4 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

6 Struttura atomica 3 5 BATTERIA CATODO ANODO + + Se emergono dal catodo allora sono negativi? Quale è la natura dei raggi catodici? LESPERIENZA DI THOMSON (1897)

7 Struttura atomica 3 6 BATTERIA CATODO ANODO + + + + + + ++++ LESPERIENZA DI THOMSON (1897) Aggiungiamo una forza elettrica Ogni raggio catodico porta una carica elettrica negativa

8 Struttura atomica 3 7 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 Lipotesi 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

9 Struttura atomica 3 8 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 allelettricità 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 dellatomo più piccolo (quello di idrogeno) I raggi catodici sono particelle subatomiche cui viene dato il nome di elettroni.

10 Struttura atomica 3 9 Per alcuni studiosi però gli elettroni non potevano ancora essere ritenuti parte della materia, perché lelettricità non è materia bensì energia La presenza degli elettroni nella materia consente una nuova interpretazione dellelettrizzazione per strofinio e della corrente elettrica Gli elettroni inoltre non potevano trovarsi allinterno dellatomo, perché questo veniva ancora ritenuto indivisibile RIPARLIAMO ANCORA UNA VOLTA DELLELETTROLISI 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

11 Struttura atomica 3 10 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

12 Struttura atomica 3 11 Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl 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 lanodo (anioni); gli atomi di sodio sono carichi positivamente (Na + ) e migrano verso il catodo (cationi)

13 Struttura atomica 3 12 LEFFETTO 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

14 Struttura atomica 3 13 Si generava tuttavia un nuovo problema:se gli elettroni sono carichi negativamente, ma gli atomi sono elettricamente neutri, devono esistere nellatomo 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 nellelettrolisi A questo punto apparve evidente che gli elettroni sono costituenti fondamentali della materia e sono presenti in ogni atomo

15 Struttura atomica 3 14 IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON (1898) J.J. Thomson (1856 – 1940 ) E la prima struttura atomica che tiene conto della carica elettrica Latomo 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 alluvetta.

16 Struttura atomica 3 15 Nel modello di Thomson latomo è pieno: la materia non conterrebbe cioè spazi vuoti LA RADIOATTIVITA: UNO STRUMENTO PER SONDARE LATOMO Alla fine dell800 il fisico francese Becquerel scopre casualmente che i composti delluranio 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 :hanno due cariche positive ed massa quattro volte quella dellatomo di idrogeno (in sostanza esse sono nuclei dellelemento chimico elio) Raggi β: sono elettroni molto veloci Raggi γ : sono radiazioni dotate di grande energia, prive di massa ed elettricamente neutre.

17 Struttura atomica 3 16 Sufficientemente piccole e penetranti, le particelle si rivelano un buono strumento per sondare la struttura dellatomo LE ESPERIENZE DI RUTHERFORD Bombardamento con particelle di sottilissime lamine di oro Ernest Rutherford ( 1871 – 1937)

18 Struttura atomica 3 17 Cosa ci si aspettava? Se la massa, in accordo con Thomson, era distribuita uniformemente tutte le particelle dovevano attraversare la lamina indisturbate

19 Struttura atomica 3 18 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…

20 Struttura atomica 3 19 + 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 -15 m) in confronto al resto dellatomo (10 -10 m) Latomo è praticamente vuoto


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