Chimica per il liceo/La tavola periodica e i primi modelli atomici: differenze tra le versioni

m
 
Portando la pressione del gas all'interno del tubo a valori molto bassi (circa un milione di volte minore di quella atmosferica) e applicando un'elevata differenza di potenziale elettrico, è possibile osservare l'emissione di raggi luminosi che partono dal catodo (per questo motivo sono stati chiamati ''raggi catodici'') e si propagano in linea retta, attraversando l'anodo, che è forato, fino a raggiungere l'estremità opposta del tubo, dove determinano una tenue fluorescenza sul vetro. I raggi catodici inoltre possono essere deviati utilizzando due ulteriori piastre metalliche che generano un campo elettrico ad essi perpendicolare: come mostrato in figura 7, i raggi catodici vengono attirati dalla piastra positiva e respinti da quella negativa, dimostrando la loro natura elettrica negativa.
[[File:Plum pudding atom.svg|miniatura|256x256px|'''Figura 9.''' Il modello atomico "a panettone" proposto da Thomson.]][[File:Thomson cathode ray exp.gif|centro|miniatura|452x452px|'''Figura 7.''' Deviazione dei raggi catodici, quando si applica un campo elettrico perpendicolare al fascio.]]Attraverso vari esperimenti che utilizzavano sia campi elettrici, sia campi magnetici, Thomson fu in grado di dimostrare che i raggi catodici erano formati da particelle dotate di massa e inoltre di determinarne il rapporto carica/massa: i risultati ottenuti gli fecero inoltre ipotizzare che tali particelle negative dovessero avere una massa molto più piccola di quella dell'atomo più leggero, ovvero l'idrogeno, e che fossero una componente fondamentale di tutti gli atomi. Le particelle individuate da Thomson vennero chiamate '''elettroni''' e la loro scoperta gli valse il premio Nobel per la Fisica nel 1906.
 
Il valore preciso della carica elettrica (-1,6<math>\cdot</math>10<sup>-19</sup> C) e conseguentemente della massa (9,109<math>\cdot</math>10<sup>-31</sup> kg) dell'elettrone vennero poi determinati dal fisico statunitense Robert '''[[w:Robert_Millikan|Millikan]]''', nel 1909, confermando che tale particella ha una massa circa 2000 inferiore rispetto a quella dell'atomo di idrogeno.
[[File:Jersey Christmas pudding podîn d'flieu.jpg|miniatura|186x186px|'''Figura 8.''' Plum (o Christmas) pudding.|sinistra]]
Dopo aver scoperto l'elettrone, nel 1904, Thomson propose il primo modello atomico moderno e basato su dati sperimentali, noto come "'''modello a panettone'''", o in inglese ''plum pudding model'' (il plum o Christmas pudding è un tipico dolce inglese natalizio che, come il nostro panettone tradizionale, contiene canditi e uva passa, figura 8). Tale modello ipotizza che l'atomo sia una sfera di carica positiva, a cui è associata anche la massa (essendo la massa dell'elettrone molto inferiore rispetto a quella di un atomo), diffusa in tutto il volume, al cui interno sono distribuiti gli elettroni (cariche negative) a distanza regolare, in modo da minimizzare la repulsione reciproca (figura 9). Tale modello viene definito "a panettone" in quanto l'impasto rappresenta la nuvola di carica positiva diffusa in tutto il volume, mentre le uvette e i canditi distribuiti al suo interno rappresentano gli elettroni negativi.{{Clear}}
[[File:Plum pudding atom.svg|miniatura|329x329px|'''Figura 9.''' Il modello atomico "a panettone" proposto da Thomson.]]{{Clear}}
 
== L'esperimento di Rutherford e il modello atomico planetario ==
A partire dal 1908, vennero condotti una serie di esperimenti, ideati e diretti dal chimico e fisico neozelandese Ernest '''[[w:Ernest_Rutherford|Rutherford]]''' (figura 10), in collaborazione con i fisici Hans '''[[w:Hans_Wilhelm_Geiger|Geiger]]''' ed Ernest '''[[w:Ernest_Marsden|Marsden]]''', volti a indagare la struttura dell'atomo, che permisero di scoprire l'esistenza del '''nucleo''' dove sono concentrate tutta carica positiva e la maggior parte della massa atomica.
 
In tali esperimenti, Rutherford bombardò una sottile lamina d'oro, dallo spessore di circa 0,004 mm, con delle ''particelle α'' (alfa) emesse ad alta velocità da una fonte radioattiva; tali particelle sono dota di massa (circa pari a quella di un atomo di elio e oltre 7000 volte maggiore di quella di un elettrone) e di carica elettrica positiva, doppia rispetto a quella dell'elettrone, ma di segno opposto. Per rilevare la presenza delle particelle α, che sono invisibili all'occhio umano, e studiarne pertanto il tragitto quando interagivano con la lamina d'oro, utilizzò un particolare schermo fluorescente, come mostrato in figura 11. [[File:Rutherford gold foil experiment results.svg|miniatura|mmm]][[File:Scatteringrutherford.jpg|centro|miniatura|514x514px|'''Figura 11.''' Schema dell’apparato sperimentale utilizzato da Rutherford e dai suoi collaboratori per indagare la struttura dell’atomo.]]Gli scienziati osservarono che:
[[File:Scatteringrutherford.jpg|centro|miniatura|514x514px|'''Figura 11.''' Schema dell’apparato sperimentale utilizzato da Rutherford e dai suoi collaboratori per indagare la struttura dell’atomo.]][[File:Rutherford gold foil experiment results.svg|miniatura|mmm]]Gli scienziati osservarono che:
 
* la maggior parte delle particelle α attraversava la sottile lamina d'oro in linea retta, senza cioè subire alcuna deviazione;
 
[[File:Element identity A.png|miniatura|Il numero di massa si indica con A|sinistra|155x155px]]
 
[[File:Isotope NiCuZn.svg|miniatura|Esempi di isotopi: in nero quelli stabili, in rosso e blu quelli radioattivi]]
 
[[File:Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schmatic-en.svg|sinistra|miniatura|Gli isotopi dell'idrogeno]]
[[File:Atomo di carbonio.svg|miniatura|345x345px|Struttura semplificata dell'atomo di carbonio]]
L’atomo è l’unità fondamentale della materia e tutti gli atomi sono formati dalle stesse categorie di subparticelle: il nucleo è costituito da '''protoni''' (particelle dotate di massa e carica positiva) e '''neutroni''' (particelle neutre dotate di una massa paragonabile a quella dei protoni); nello spazio perinucleare si muovono gli '''elettroni''' (particelle con carica negativa e massa trascurabile rispetto a quella di un protone o di un neutrone). Il numero di elettroni eguaglia il numero di protoni: l’atomo, infatti, è, per definizione, una entità neutra. Il '''numero di protoni''' (e, quindi, di elettroni) viene indicato come '''numero atomico'''.
 
Le varie specie atomiche differiscono, in primo luogo, per il numero atomico e sono ordinate in tavola periodica secondo il numero atomico crescente.
 
I neutroni svolgono un ruolo determinante nella costituzione del nucleo in quanto si interpongono tra i protoni impedendo loro di respingersi: sono i neutroni, quindi, a conferire al nucleo compattezza e densità e a consentire allo stesso di essere il depositario della massa dell’intero atomo (Gli elettroni incidono in misura trascurabile sulla massa dell’atomo ma circoscrivono e determinano il volume dell’atomo in toto; per comprendere le proporzioni volumetriche tra il nucleo e l’intero atomo potremmo esprimerci in questi termini: se il nucleo avesse le dimensioni di un nocciolo di ciliegia, l’intero atomo sarebbe grande quanto il duomo di Milano).[[File:Atomo di carbonio.svg|miniatura|345x345px|Struttura semplificata dell'atomo di carbonio]]E’ intuibile che all’aumentare del numero dei protoni cresce in misura pressoché proporzionale anche il numero dei neutroni: se, però, il numero dei protoni è esclusivo di una determinata specie atomica, il <u>numero dei neutroni può variare nell’ambito della stessa specie atomica</u>.
 
E’ intuibile che all’aumentare del numero dei protoni cresce in misura pressoché proporzionale anche il numero dei neutroni: se, però, il numero dei protoni è esclusivo di una determinata specie atomica, il <u>numero dei neutroni può variare nell’ambito della stessa specie atomica</u>.
 
A conferma di quanto ho affermato, possiamo verificare che in Tavola periodica viene riportato in modo evidente il numero atomico mentre non riusciamo a individuare in alcun modo il numero dei neutroni. Bisogna subito chiarire che piuttosto che considerare il numero assoluto di neutroni appartenenti all’atomo di una determinata specie in una particolare circostanza costitutiva, si è preferito considerare la '''somma di protoni e neutroni''', ovvero il cosiddetto '''numero di massa'''. Ribadisco: se il numero atomico è caratteristico di una specie atomica, il numero di neutroni può essere diverso di qualche unità nell’ambito della stessa specie atomica e determinare più numeri di massa per la stessa specie atomica. Sarebbe ingombrante quanto inutile e superfluo riportare in tavola periodica tutti i possibili numeri di massa di una determinata specie, dal momento che, come vedremo in seguito, troviamo “traccia” del numero di massa in una fondamentale grandezza denominata massa atomica, necessariamente riportata in tavola periodica.
 
[[File:Isotope NiCuZn.svg|miniatura|Esempi di isotopi: in nero quelli stabili, in rosso e blu quelli radioattivi]]
 
'''Atomi della stessa specie con diverso numero di massa vengono denominati isotopi''' (dal greco ίσος τόπος, stesso luogo).
'''<sup>12</sup><big>C</big>'''             '''<sup>13</sup><big>C</big>'''                '''<sup>14</sup><big>C</big>'''
 
Il carbonio - 12 ha un nucleo costituito da sei protoni e sei neutroni, il carbonio – 13 ha sette neutroni mentre il carbonio - 14 presenta otto neutroni: quest’ultimo è l’isotopo più pesante del carbonio ed è radioattivo{{Clear}}
 
{{Clear}}
 
== La Tavola periodica moderna e le proprietà periodiche ==
3 257

contributi