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I M ODELLI A TOMICI John Dalton (1808) John Dalton (1808) Joseph John THOMSON (1903) Joseph John THOMSON (1903) Ernest RUTHERFORD (1911) Ernest RUTHERFORD.

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1 I M ODELLI A TOMICI John Dalton (1808) John Dalton (1808) Joseph John THOMSON (1903) Joseph John THOMSON (1903) Ernest RUTHERFORD (1911) Ernest RUTHERFORD (1911) Niels Henrik BOHR (1913) Niels Henrik BOHR (1913)

2 Perché è importante conoscere la struttura dellatomo? Per comprendere e prevedere le proprietà chimiche degli elementi Come è possibile ottenere informazioni sulla struttura atomica? base al comportamento macroscopico della materia In base al comportamento macroscopico della materia

3 la materia costituita da particelle piccolissime la materia costituita da particelle piccolissime indivisibili = ATOMI (Democrito 400 a.C.); indivisibili = ATOMI (Democrito 400 a.C.); gli atomi di uno stesso elemento sono uguali; gli atomi di uno stesso elemento sono uguali; gli atomi di elementi diversi, hanno massa e proprietà diverse; gli atomi di elementi diversi, hanno massa e proprietà diverse; Le trasformazioni chimiche avvengono tra atomi interi; Le trasformazioni chimiche avvengono tra atomi interi; Atomi diversi possono combinarsi tra loro in rapporti diversi. Atomi diversi possono combinarsi tra loro in rapporti diversi. Modello di J. Dalton (1808) Latomo è indivisibile ? NO

4 SCOPERTA delle PARTICELLE SUBATOMICHE ELETTRONE: 1897 (Thomson) ELETTRONE: 1897 (Thomson) PROTONE: 1900 (Goldstein, Wien, Thomson) PROTONE: 1900 (Goldstein, Wien, Thomson) NEUTRONE: 1932 (Chadwick) NEUTRONE: 1932 (Chadwick) Le particelle fondamentali: MA… ce ne sono molte altre ancora…

5 Utilizzo di tubi inventati da W. Crookes: tubi di vetro tubi di vetro due lamine metalliche (elettrodi) due lamine metalliche (elettrodi) CATODO è NEGATIVO (-) CATODO è NEGATIVO (-) ANODO è POSITIVO (+) ANODO è POSITIVO (+) generatore di elettricità (passaggio di corrente) generatore di elettricità (passaggio di corrente) gas gas pompa a vuoto (per creare il vuoto o abbassare la pompa a vuoto (per creare il vuoto o abbassare la pressione del gas) pressione del gas)

6 Passaggio di corrente Passaggio di corrente Bagliore caratteristico del tipo di gas Bagliore caratteristico del tipo di gas Fascio di raggi provenienti dal CATODO Fascio di raggi provenienti dal CATODO A pressione bassissima (10 -6 atm) A pressione bassissima (10 -6 atm) luminescenza verde sul vetro luminescenza verde sul vetro RAGGI CATODICI

7 COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Creano ombra Muovono palette

8 COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Sono deviati verso la piastra positiva

9 RAGGI CATODICI: caratteristiche ombra croce di Malta ombra croce di Malta movimento di un mulinello movimento di un mulinello deviazione verso una piastra caricata positivamente deviazione verso una piastra caricata positivamente Come vennero chiamati? Si propagano in linea retta Sono dotati di una certa massa Hanno carica elettrica negativa Non dipendono dal tipo di metallo costituente il Non dipendono dal tipo di metallo costituente il catodo né dal tipo di gas utilizzato catodo né dal tipo di gas utilizzato

10 ESPERIMENTO di THOMSON (1897) Thomson: sottopose raggi catodici a campo elettrico e magnetico sottopose raggi catodici a campo elettrico e magnetico misurò la deviazione che i raggi subivano misurò la deviazione che i raggi subivano determinò così il valore del RAPPORTO tra la carica e la determinò così il valore del RAPPORTO tra la carica e la massa delle particelle costituenti i raggi catodici (q/m) massa delle particelle costituenti i raggi catodici (q/m) q/m = -1,76·10 8 coulomb/grammi ottenne sempre lo stesso valore indipendentemente dalla ottenne sempre lo stesso valore indipendentemente dalla natura del catodo e del gas utilizzato natura del catodo e del gas utilizzato sono particelle fondamentali della materia ELETTRONI

11 Tubo a raggi catodici di Thomson per misurare il rapporto carica/massa dellelettrone 1 effetto della sola alta tensione (linea retta) 2 effetto del magnete (curvatura verso il basso) 3 effetto di piastre (curvatura verso la piastra positiva)

12 IL PROTONE La materia in genere è elettricamente neutra IPOTESI Se ci sono particelle elettricamente NEGATIVE PROVE SPERIMENTALI RAGGI ANODICI o RAGGI CANALE ci saranno anche particelle elettricamente POSITIVE!!

13 E. Goldstein: utilizzò tubi di scarica con CATODO FORATO utilizzò tubi di scarica con CATODO FORATO ricoprì le pareti del tubo dietro al catodo con ricoprì le pareti del tubo dietro al catodo con sostanza contenente fosforo sostanza contenente fosforo notò che la parete del tubo dietro al catodo notò che la parete del tubo dietro al catodo diventava fluorescente diventava fluorescente RAGGI ANODICI

14 Che cosa succedeva nel tubo di Golstein?

15 W.Wien e Thomson: particelle cariche positivamente particelle cariche positivamente misurazione rapporto carica/massa: misurazione rapporto carica/massa: la massa delle particelle non era costante, la massa delle particelle non era costante, ma variava in funzione del gas introdotto ma variava in funzione del gas introdotto la massa più piccola si trovò nel caso del gas H 2 la massa più piccola si trovò nel caso del gas H 2 ( 1836 volte > rispetto alla massa degli elettroni) ( 1836 volte > rispetto alla massa degli elettroni) Particella fondamentale della materia PROTONE dal greco proteios = di primaria importanza

16 MODELLO ATOMICO di THOMSON (1903) ATOMO = sfera omogenea massa e carica positiva massa e carica positiva distribuite uniformemente distribuite uniformemente corpuscoli di carica negativa in moto corpuscoli di carica negativa in moto inseriti allinterno in modo omogeneo inseriti allinterno in modo omogeneo ANGURIAPANETTONE Elettroni: semi uvetta

17 Studi sulla STRUTTURA ATOMICA Scoperta della RADIOATTIVITÀ influenzati da Henri Becquerel (1896): Henri Becquerel (1896): sali di Uranio erano in grado di impressionare lastre sali di Uranio erano in grado di impressionare lastre fotografiche -Raggi uranici fotografiche -Raggi uranici Pierre e Marie Curie (1898) Pierre e Marie Curie (1898) fenomeno dei raggi uranici riguardava anche altri fenomeno dei raggi uranici riguardava anche altri elementi –Torio elementi –Torio scoprono un nuovo elemento -Polonio scoprono un nuovo elemento -Polonio dalla pechblenda (minerale dellUranio) ottengono un dalla pechblenda (minerale dellUranio) ottengono un nuovo elemento -Radio nuovo elemento -Radioradioattività

18 Individuati 3 tipi di radiazioni RAGGI : elettroni molto veloci; attraversano sottili lamine di piombo (0,005 – 0,3 mm) RAGGI : radiazioni elettromagnetiche; attraversano pareti di piombo di alcuni cm RAGGI : particelle di carica 2+ (atomi di elio senza elettroni); attraversano sottilissime lamine metalliche

19 Esperimento di RUTHERFORD e collaboratori (Hans GEIGER e Ernest MARSDEN)

20 ESPERIMENTO di RUTHERFORD & C. …era quasi altrettanto incredibile di un proiettile di cannone che, sparato contro un foglio di carta, rimbalzasse e tornasse indietro a colpirvi SORPRESA!! Gran parte delle particelle attraversava la lamina Gran parte delle particelle attraversava la lamina Alcune particelle venivano deviate Alcune particelle venivano deviate Altre rimbalzavano indietro Altre rimbalzavano indietro OSSERVAZIONI

21 THOMSONRUTHERFORD COMPORTAMENTO PARTICELLE COMPORTAMENTO PARTICELLE confronto tra i due modelli

22 CONCLUSIONI dell ESPERIMENTO di RUTHERFORD e collaboratori Atomo non omogeneo Atomo non omogeneo Tutta la massa e la carica positiva dellatomo Tutta la massa e la carica positiva dellatomo concentrate in un nocciolo piccolissimo = NUCLEO concentrate in un nocciolo piccolissimo = NUCLEO (diametro 10 4 – 10 5 volte più piccolo dellintero atomo) (diametro 10 4 – 10 5 volte più piccolo dellintero atomo) Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo NUOVO MODELLO ATOMICO NUOVO MODELLO ATOMICO LATOMO, PRATICAMENTE, È VUOTO !

23 MODELLO ATOMICO di RUTHERFORD Atomo = SISTEMA PLANETARIO Nucleo =SOLE Nucleo = SOLE Elettroni = PIANETI

24 IL NEUTRONE RUTHERFORD valutò il numero di cariche positive (dalla modalità di deviazione delle particelle ) = n° protoni n°protoni * massa del protone = massa nucleare n°protoni * massa del protone = massa nucleare ½ massa reale ½ massa reale ipotesi: esistenza nel nucleo di altre particelle senza carica elettrica ma con una massa simile al protone ipotesi: esistenza nel nucleo di altre particelle senza carica elettrica ma con una massa simile al protone CHADWICK (1932): CHADWICK (1932): bombardamento di berillio con particelle emissione di particelle molto penetranti e non deviate da campi elettrici elettricamente neutre NEUTRONI

25 Massa(Kg) Massa relativa Carica elettrica (Coulomb) Caricarelativa Elettrone 9,109· ,602· Protone 1,673· ,602· Neutrone 1,675· Nucleo: Protoni e Neutroni Esterno: Elettroni

26 PROBLEMI del MODELLO PLANETARIO Le particelle cariche sono sottoposte a Forza coulombiana e - fermo cade sul nucleo e - in movimento Forza centripeta coulombiana Forza centripeta coulombiana Forza centrifuga Forza centrifuga (per la forza attrattiva) q 1, q 2 : cariche r: distanza m: massa v: velocità r: distanza

27 Forze in gioco nel modello atomico di Rutherford

28 Secondo le leggi dellelettromagnetismo le -, muovendosi lungo orbite circolari dovrebbe emettere ENERGIA in relazione al quadrato della sua velocità Energia emessa (persa) Rallentamento del moto dell e - Le - non riesce a reagire alla F centripeta Cade sul nucleo

29 Secondo le leggi della fisica classica newtoniana… gli e - precipiterebbero sul nucleo Ma… ciò non si verifica!! Latomo si annullerebbe! Come risolvere questo problema? Elaborazione di una nuova Fisica

30 Altro punto dolente del modello di Rutherford: Non riusciva a spiegare gli spettri di emissione e di assorbimento delle sostanze Cosa sono gli spettri? Bisogna aprire una parentesi sulle ONDE

31 Che cosa sono le ONDE? Unonda è una perturbazione che si propaga senza trasporto di materia onde del mare, onde di una corda tesa, onde circolari formate da sasso lanciato in H 2 0 Le onde (o radiazioni) elettromagnetiche sono formate da oscillazioni dei campi elettrici e magnetici, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dellonda

32 Lunghezza donda: ( ) distanza tra due creste (o valli) consecutive Frequenza: ( ) si misura in Hertz numero di oscillazioni che avvengono nellunità di tempo (1 secondo) Periodo: (T) È linverso della frequenza; è il tempo impiegato per compiere unoscillazione completa Ampiezza: (A) altezza di un picco Velocità: (v) rapporto tra e T

33 Onde con stessa, ma diversa A Onde con diversa e quindi con diversa quindi con diversa

34 Insieme delle frequenze (o delle lunghezze donda) che può assumere una radiazione elettromagnetica SPETTRO ELETTROMAGNETICO

35 Scomposizione della LUCE BIANCA nelle sue componenti attraverso un prisma ottico di vetro SONO I COLORI DELLARCOBALENO! violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancio, rosso I COLORI sono associati a precisi valori di FREQUENZE nella PORZIONE VISIBILE dello spettro elettromagnetico

36 SPETTRO di EMISSIONE SPETTRO di EMISSIONE CONTINUO:CONTINUO: si forma da corpi incandescenti si forma da corpi incandescenti (solidi, liquidi e gas ad alta pressione) (solidi, liquidi e gas ad alta pressione) successione di zone colorate sfumanti successione di zone colorate sfumanti con gradualità luna nellaltra con gradualità luna nellaltra A RIGHE:A RIGHE: gas a bassa p, sottoposto ad alta T o a gas a bassa p, sottoposto ad alta T o a scarica elettrica scarica elettrica righe colorate su sfondo nero righe colorate su sfondo nero caratteristico per ogni elemento gassoso o caratteristico per ogni elemento gassoso o reso gassoso reso gassoso identificazione identificazione SPETTRO di ASSORBIMENTO A RIGHE: SPETTRO di ASSORBIMENTO A RIGHE: gas tra sorgente di luce e fenditura gas tra sorgente di luce e fenditura righe nere su sfondo continuo righe nere su sfondo continuo

37

38 Spettro continuo di luce bianca Spettro di EMISSIONE Spettro di ASSORBIMENTO Esempio: SODIO

39 Gli spettri di emissione si rivelavano composti da righe ben distinte le transizioni di energia di un atomo dovevano avvenire in modo discontinuo secondo quantità discrete e non mediante una variazione graduale e continua (modello di Rutherford) le transizioni di energia di un atomo dovevano avvenire in modo discontinuo secondo quantità discrete e non mediante una variazione graduale e continua (modello di Rutherford)

40 QUANTIZZAZIONE DELLENERGIA ( Max PLANCK 1900) Si interessò del CORPO NERO (oggetto che emette radiazioni che dipendono solo dalla temperatura alla quale si trova) Si interessò del CORPO NERO (oggetto che emette radiazioni che dipendono solo dalla temperatura alla quale si trova) Lenergia non è emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite, non frazionabili, discontinue Lenergia non è emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite, non frazionabili, discontinue QUANTI o FOTONI QUANTI o FOTONI L energia di una radiazione è proporzionale alla sua frequenza L energia di una radiazione è proporzionale alla sua frequenza h= costante di Planck (6,625· J*s)

41 NUOVO MODELLO ATOMICO Studiò lo spettro di emissione Studiò lo spettro di emissione dellelemento più semplice, lIDROGENO dellelemento più semplice, lIDROGENO 4 righe nel visibile (arancio, blu, blu-violetto, violetto) 4 righe nel visibile (arancio, blu, blu-violetto, violetto) Utilizzò il concetto di quantizzazione Utilizzò il concetto di quantizzazione dellenergia introdotto da Planck dellenergia introdotto da Planck BOHR (fisico danese):

42 MODELLO ATOMICO di BOHR (1913) Ammette linadeguatezza della elettrodinamica classica a descrivere il comportamento dei sistemi atomici. Si basa su 2 postulati I: (sullo stato stazionario) Negli atomi gli elettroni non irradiano energia perché Negli atomi gli elettroni non irradiano energia perché si muovono lungo orbite circolari ben determinate, si muovono lungo orbite circolari ben determinate, ORBITE STAZIONARIE, a ciascuna delle quali ORBITE STAZIONARIE, a ciascuna delle quali corrisponde una definita quantità di energia, LIVELLO corrisponde una definita quantità di energia, LIVELLO ENERGETICO ENERGETICO II: (sullo stato eccitato) Si verificano emissioni di energia (rad.elettromagnetiche) Si verificano emissioni di energia (rad.elettromagnetiche) solo quando un e - passa da un livello energetico iniziale a solo quando un e - passa da un livello energetico iniziale a uno finale ad energia inferiore uno finale ad energia inferiore

43 Assorbimento di energia Emissione di energia

44 Bohr: calcolò i raggi delle orbite delle - dellidrogeno dove a 0 = 0,5291 Å calcolò i raggi delle orbite delle - dellidrogeno dove a 0 = 0,5291 Å calcolò energia delle - calcolò energia delle - K = costante combinata (massa e carica e -, h) n = numero intero positivo cercò di estendere il modello ad atomi poli-elettronici cercò di estendere il modello ad atomi poli-elettronici definì il numero massimo di livelli energetici possibili definì il numero massimo di livelli energetici possibili 7, indicati con lettere maiuscole (K,L,M,N,O,P,Q) 7, indicati con lettere maiuscole (K,L,M,N,O,P,Q) r = a 0 n 2

45 Per n=1 valore di energia più basso (più negativo) valore di energia più basso (più negativo) prima orbita prima orbita distanza minima dal nucleo distanza minima dal nucleo le - non cade sul nucleo! le - non cade sul nucleo! Per n>1 (2,3,4,…) lenergia aumenta (meno negativa) lenergia aumenta (meno negativa) ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI ENERGIA NELLATOMO DI IDROGENO

46 Modello atomico di Bohr Successo Successo previsione frequenza righe spettrali dellidrogeno (un solo e - ) previsione frequenza righe spettrali dellidrogeno (un solo e - ) Fallimento Fallimento non adatto a spiegare il comportamento di atomi con più e - (interazioni) non adatto a spiegare il comportamento di atomi con più e - (interazioni) MERITO: Molte nuove idee (numero quantico, livelli discreti di energia, salti quantici tra livelli) importanti per lo sviluppo di una nuova teoria meccanica quantistica meccanica quantistica

47 LIVELLI ENERGETICI DELLATOMO DI H In seguito ad opportuna eccitazione di una numerosa popolazione di atomi, i livelli energetici risulteranno statisticamente tutti popolati. Il ritorno graduale al livello fondamentale, anche mediante ritorni a livelli intermedi eccitati, produce lo spettro a righe caratteristico dell'atomo di idrogeno. Con uno spettroscopio ottico sarà possibile vedere solo le righe derivanti dal ritorno al primo livello energetico eccitato (n=2) e che ricadono nel visibile (serie di Balmer).

48 SERIE SPETTROSCOPICHE DELLH Le osservazioni sperimentali erano quanto mai soddisfacenti. La posizione delle righe osservate con la strumentazione allora esistente era perfettamente in accordo con il modello atomico proposto da Bohr. Spettro a righe nella zona visibile per l'idrogeno (serie di Balmer) posto su due righe per motivi di spazio orizzontale

49 SAGGI ALLA FIAMMA


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