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

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 Struttura atomica 3

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 Struttura atomica 3

William Crookes (1878) i raggi catodici si muovono in linea retta 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 Tubi di Crookes William Crookes (1878) i raggi catodici si muovono in linea retta Struttura atomica 3

+ Quale è la natura dei raggi catodici? Se emergono dal catodo allora sono negativi? L’ESPERIENZA DI THOMSON (1897) BATTERIA CATODO ANODO + ▬ Struttura atomica 3

+ + + L’ESPERIENZA DI THOMSON (1897) ▬ BATTERIA ▬ CATODO ANODO + ▬ Aggiungiamo una forza elettrica Ogni raggio catodico porta una carica elettrica negativa Struttura atomica 3

La corrente scorre quindi dal polo negativo verso quello positivo 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 Struttura atomica 3

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. Struttura atomica 3

RIPARLIAMO ANCORA UNA VOLTA DELL’ELETTROLISI La presenza degli elettroni nella materia consente una nuova interpretazione dell’elettrizzazione per strofinio e della corrente elettrica Per alcuni studiosi però gli elettroni non potevano ancora essere ritenuti parte della materia, perché l’elettricità non è materia bensì energia 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 Struttura atomica 3

PROPRIETA’ COLLIGATIVE DELLE SOLUZIONI 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 Struttura atomica 3

Gli elettroliti si sciolgono e si dissociano: il numero delle particelle è maggiore della concentrazione e dipende dalla composizione Na+ Cl− Dissoluzione in acqua di un elettrolita 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 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) Gli anioni sono atomi con elettroni in eccesso, i cationi sono atomi che hanno perduto alcuni degli elettroni che possedevano inizialmente Struttura atomica 3

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 Struttura atomica 3

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 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 Struttura atomica 3

IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON (1898) J.J. Thomson (1856 – 1940) IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON (1898) 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. Struttura atomica 3

LA RADIOATTIVITA’: UNO STRUMENTO PER SONDARE L’ATOMO 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. Struttura atomica 3

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

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

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…” Struttura atomica 3

+ 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 + Struttura atomica 3