Le particelle dell’atomo Modulo 3 U.D. 1 Chimica Prof. Augusto Festino Liceo Scientifico “G. Salvemini” A.S. 2005/06

La natura elettrica della materia Le particelle fondamentali I modelli atomici di Thomson e Rutherford Numero atomico, numero di massa e isotopi Il nucleo dell’atomo e le sue trasformazioni (facoltativo)

J.J. THOMPSON H+ e- Scoperta dell’elettrone Animazione esperimento di Thomson Esperimento di Thomson Nel 1897 identifica nei raggi catodici le particelle più piccole che formano la materia: gli elettroni Gli elettroni hanno una massa di 9,1·10-28 grammi, pari a circa 1/2000 dell’atomo più leggero, idrogeno H portano una carica di segno (– ) pari a 1,6·10-19 coulomb hanno sempre le stesse caratteristiche, qualunque sia il materiale da cui provengono

MODELLO A “PUDDING” Thomson nel 1906 presentò il modello dell’atomo come un insieme di particelle con carica positiva, massicce e voluminose, tra le quali si muovevano gli elettroni, con massa molto inferiore e con carica negativa ma uguale a quella delle particelle positive per cui l’atomo elettricamente neutro è formato da parti positive e negative in numero uguale

Ernest RUTHERFORD Nel 1899 inizia a studiare la natura delle radiazione α e β emesse da elementi radioattivi Particelle β sono gli elettroni - e- - Particelle α sono nuclei di elio con due cariche positive - He++ - + α e β

Esperimento di Rutherford Progetto di esperimento ipotesi una foglia d’oro è costituita da pochi strati di atomi voluminosi e massicci (modello di Thomson) una sorgente radioattiva di particelle α -come il polonio- funge da “mitragliatrice” si studiano i “frammenti” degli atomi di oro colpiti e spezzati se esistono atomi che “si spezzano” spontaneamente, come dimostrato dagli esperimenti dei Curie e di Becquerel sulla radioattività (Nobel 1903) è possibile “rompere” artificialmente l’atomo in laboratorio e dall’analisi dei “pezzi” ricavarne la struttura

Esperimento di Rutherford Animazione 1 procedimento Animazione 2 materiale polonio che emette particelle α foglia d’oro contattore Geiger montato su meccanismo che ruota attorno alla lamina

Esperimento di Rutherford conclusioni quasi tutta la massa dell’atomo occupa una ridottissima porzione del suo volume totale, al centro  nucleo esso è costituito da particelle positive-protoni- e probabilmente da altre neutre . Il nucleo è, perciò, elettricamente positivo gli elettroni, dotati di carica elettrica negativa, ruotano su orbite a grande distanza dal nucleo, come pianeti attorno al sole quando protoni ed elettroni sono nello stesso numero, l’atomo è elettricamente neutro

modello atomico di Rutherford (1911) - nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell’atomo e la gran parte della massa di esso raggio dell’atomo 10-8 cm raggio del nucleo  10-12 cm - la carica del nucleo corrisponde al numero dei protoni che contiene e viene chiamata il nucleo è 10.000 volte più piccolo dell’intero atomo di cui fa parte 10-12  = 10-4 10-8 NUMERO ATOMICO gli elettroni vengono trattenuti dal nucleo mediante forze di natura elettrostatica (coulombiane)

particelle subatomiche Esercizio NOME dove si trova carica quantità (coulomb) massa (grammi unità chimica) scopritore data protone nucleo + 1,910-19 1,6723 10-24 g 1 E.Rutherford 1911 + neutrone nucleo 1,6745 10-24 g 1 J. Chadwich 1932 elettrone spazio esterno al nucleo - 1,910-19 9,109610-28 g 1/1836 J.J. Thomson 1897 -

Esercizio 1 Esercizio 2

Atomi, Molecole e Ioni Particle Location Weight Charge Proton Nucleus 1.0073 amu Positive (+1) Neutron 1.0087 amu Neutral Electrons Electron Cloud 0.000549 amu Negative (-1) Nota: visto che gli atomi hanno un numero uguale di elettroni e protoni, non hanno una carica elettrica netta 1 amu = 1.66054 x 10-24 g

Atomi, Molecole e Ioni Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo Siccome la carica netta di un atomo è 0, l’atomo deve contenere un numero uguale di elettroni E i neutroni? Il loro numero può variare. Gli atomi che differiscono solo nel numero di neutroni si chiamano isotopi. Visto che il neutrone ha una massa di 1.0087 amu (il protone è 1.0073), diversi isotopi hanno diverse masse. Esercizio sulla struttura atomica Esercizio sugli isotopi 1 Esercizio sugli isotopi 2

Atomi, Molecole e Ioni Tutti gli atomi di carbonio (C) hanno 6 protoni e 6 elettroni. Il numero di protoni dell’atomo di carbonio si denota in basso a sinistra del simbolo atomico: Questo numero è chiamato numero atomico (Z) e siccome è sempre 6 per il carbonio è ridondante e usualmente si omette. Un altro numero, il numero di massa (A) esprime la somma di protoni e neutroni presenti nel nucleo: N. Neutroni = 12 -6 = 6 N. Neutroni = 14 -6 = 8

Carta di identità di un elemento 6 C 12 simbolo dell’elemento Numero di massa (A) numero protoni (Z) + numero neutroni Numero atomico (Z) Numero protoni

Numero atomico e numero di massa NUMERO ATOMICO (Z ) numero protoni Identifica l’elemento : è uguale in tutti gli atomi di un elemento atomo elettricamente neutro numero protoni = numero elettroni numero neutroni può essere diverso in atomi dello stesso elemento si ricava : A  Z

isotopi il numero di neutroni del nucleo di atomi dello stesso elemento può variare ma non variano le proprietà chimiche dell’elemento atomi dello stesso elemento (stesso numero atomico) possono avere diverso numero di massa occupano lo stesso posto (ίσος τόπος) nella tavola che classifica gli elementi in base al numero atomico (v. tavola periodica) per questo sono chiamati isotopi

Figure 3.10: Two isotopes of sodium.

Isotopi H e C i 3 isotopi dell’idrogeno stesso numero atomico (Z=1) diverso numero di massa: 1, 2, 3 i 3 isotopi del carbonio stesso numero atomico (Z=6) diverso numero di massa: 12, 13, 14

media, in base alle frequenze, degli isotopi dell’elemento massa atomica relativa e peso atomico unità di massa atomica ( u.m.a. o dalton) = 1/12 dell’isotopo 12 del carbonio (12C) massa atomica relativa = rapporto tra la massa di un atomo e l’ u.m.a. peso atomico dell’idrogeno 1,0079 1H:99,985% 2H: 0,015% 3H: instabile peso atomico 12 C: 98,89% 13C: 1,11% 14C: instabile media, in base alle frequenze, delle masse atomiche degli isotopi dell’elemento peso atomico del carbonio 12,011

Fine