L’evoluzione del modello atomico

Didascalia alternativa:

costanti. Nel 1804 John Dalton formulò la legge delle proporzioni multiple e, basandosi su queste tre leggi dette leggi ponderali, creò il primo modello atomico che pubblicò nel 1808. Dalton partì dal presupposto secondo cui non si può "vedere" la struttura intima della materia ma se si ipotizza l'esistenza di corpuscoli elementari. Questi stanno alla base della costituzione dei corpi e se si assegnano loro determinate caratteristiche assunte come postulati si può spiegarne il comportamento a livello materiale. La teoria atomica di Dalton si basa sui seguenti postulati: La materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili che sono chiamate atomi; L'atomo rappresenta la più piccola particella di un elemento; Ogni elemento è costituito da atomi uguali tra loro per massa e dimensioni; elementi diversi sono costituiti da atomi diversi e pertanto esistono tanti tipi di atomi quanti sono gli elementi; Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi che conservano la propria identità. Non sono distrutti nelle trasformazioni combinandosi in un semplice rapporto di numeri interi per formare composti; La molecola è il più piccolo aggregato di atomi diversi. Dalton elaborò la sua teoria sulla base delle conoscenze del tempo ma, pur essendo riconosciuta come una pietra miliare nell'ambito della chimica, alla luce delle scoperte successive mostra dei chiari limiti non potendo tener conto: che, a seguito di reazioni nucleari, il nucleo di un atomo viene convertito in un altro con diverso numero atomico; dell'esistenza degli isotopi che furono scoperti dal chimico inglese Frederick Soddy; dell'esistenza degli isobari ovvero nuclidi che presentano lo stesso numero di massa ma diverso numero atomico; che, non è necessario che gli elementi si combinino in rapporti di numeri interi semplici per formare composti: alcuni composti organici complessi non presentano rapporti semplici di atomi costituenti come ad esempio il saccarosio; degli allotropi ovvero di specie costituite dallo stesso elemento che possono presentarsi in forme diverse differendo tra loro per le proprietà fisiche e chimiche oltre che per la forma cristallina pur presentando lo stesso stato di aggregazione come ad esempio nel caso del carbonio di diamante. 1904: Thomson Un modello divenuto famoso è quello di Thomson secondo il quale l'atomo veniva raffigurato come una sfera materiale di raggio r=10*-10m. Mentre la carica positiva risultava distribuita e diluita in maniera uniforme da occupare tutta la sfera, gli elettroni erano in numero tale da equilibrare la carica positiva, pertanto disseminati come “l'uva in un panettone". Gli elettroni rimanevano in uno stato di equilibrio nell'interno dell'atomo in quanto erano soggetti sia a un sistema di forze attrattive verso il centro dell'atomo, che era anche il centro di simmetria, che a forze repulsive, di pura natura elettrostatica, agenti fra le cariche negative. Secondo il modello di Thomson, quando la materia acquista energia, gli atomi vengono eccitati e gli elettroni incominciano a vibrare come tanti oscillatori, emettendo onde elettromagnetiche. Elettrone deriva dalla parola greca nλæкτpov (pronuncia électron), il cui significato è ambra. Tale nome è storicamente dovuto al fatto che l'ambra ebbe un ruolo fondamentale nella scoperta dei fenomeni elettrici: in particolare a partire dal VII secolo a.C. gli antichi Greci erano a conoscenza del fatto che strofinando un oggetto di ambra o ebanite con un panno di lana, l'oggetto in questione acquisiva la capacità di attirare a sé corpuscoli leggeri, quali ad esempio granelli di polvere.La data di nascita dell'elettrone è il 1897, anno in cui Joseph John Thomson, direttore del Cavendish Laboratory di Cambridge osservò che i raggi catodici erano sensibili ai campi elettrici e magnetici e che si comportavano come particelle cariche negativamente. Thomson progettò un esperimento per determinare le caratteristiche di queste particelle. Esperimento di Thomson Catodo Pompa del vuoto Alto Voltaggio Fenditura +0000 Piastra negativa Piastra Positiva relle Anodo In un tubo a raggi catodici, le particelle negative (raggi catodici) sono emesse dal catodo e sparate a velocità elevata nel vuoto attraverso una zona d dove possono agire i campi elettrico e magnetico incrociati, perpendicolari rispetto alla velocità delle particelle. Dopo questo tratto il fascio, eventualmente deviato, attraversa una zona di deriva molto più lunga della precedente, fino a colpire una zona dello schermo fluorescente che si illumina nel punto colpito. 1. Con i campi spenti il fascio non è deviato e colpisce la parte centrale dello schermo. 2. Con un campo elettrico E (diretto verticalmente), il fascio è deviato verso l'alto o verso il basso. Si misura la deflessione verticale y che è funzione della geometria del sistema e delle caratteristiche della particella. 3. Si regola quindi l'intensità del campo magnetico B finché la deflessione del fascio non viene annullata. 4. Si misura in questo modo la velocità della particella v = E/B Dalla misura della velocità, Thomson riuscì a determinare il rapporto carica/massa dei raggi catodici in funzione di altre grandezze dell'apparato. Il valore trovato da Thomson risultava essere circa 2000 volte più grande di quello, conosciuto, del rapporto carica massa dello ione idrogeno (cioè del protone). Thomson ipotizzò che queste particelle negative fossero una componente di tutti gli atomi. Non conoscendone né la massa, né la carica, erano possibili tre ipotesi: 1. le particelle negative avevano la stessa massa dei protoni, ma carica 2000 volte maggiore le particelle negative avevano la stessa carica dei protoni, ma massa 2000 volte minore 2. 3. le particelle negative avevano sia la massa sia la carica diversa da quelle dei protoni Thomson scelse la seconda ipotesi (che poi si rivelò giusta). Pensò anche (erroneamente) che la massa maggiore della parte positiva dell'atomo corrispondesse ad un volume maggiore ed immaginò un atomo in cui la parte positiva riempiva tutto il volume a disposizione, mentre le particelle negative (elettroni) erano piccole ed immerse nella massa positiva come l'uvetta nel panettone. electrons sphere of positive charge 1911: Rutherford Ernest Rutherford, chimico e fisico britannico, fece un esperimento che culminò con la confutazione del modello atomico a panettone proposto da Thomson. Egli dimostrò che l'atomo era costituito da un nucleo centrale in cui si concentrava la maggior parte della materia carica positivamente (nucleo atomico), intorno al quale ruotavano gli elettroni. Quindi, a differenza del modello atomico di Thomson in cui l'atomo è rappresentato come una sfera carica positivamente, în cui sono immersi gli elettroni, il modello atomico planetario di Rutherford propone un atomo 'vuoto' che concentra tutta la materia carica positivamente in un nucleo delimitato, attorno al quale ruotano gli elettroni. L'esperimento di Rutherford aveva come scopo quello di confermare il modello atomico proposto da Thomson. Questo esperimento prevedeva l'utilizzo di una sorgente radioattiva in grado di emettere particelle alfa che venivano sparate su una lamina d'oro. Quello che ci si aspettava era che le particelle alfa, una volta entrate in contatto con la lamina d'oro, la attraversassero parallelamente o al più venissero leggermente deviate tutte allo stesso modo, data l'omogeneità dell'atomo. Quello che si osservò, invece, era che alcune particelle venivano deviate anche con angoli maggiori di 90°, tornando verso la fonte che le aveva generate. L'ipotesi di Rutherford fu che l'atomo doveva essere costituito da una zona centrale di materia estremamente densa nonché carica, in grado di interrompere il decorso delle grandi particelle alfa, e addirittura in grado di farle rimbalzare. Grazie a questo esperimento Rutherford è giunto alla conclusione che al centro dell'atomo vi fosse un nucleo denso e carico positivamente, che intorno ad esso ruotassero elettroni carichi negativamente in numero tale da neutralizzare la carica positiva e che tra il nucleo e gli elettroni ci fosse spazio vuoto. Questo modello non fu accettato completamente dalla comunità scientifica in quanto entrava in contrasto con la fisica classica secondo cui una particella carica accelerata emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, perdendo energia. Gli elettroni che ruotano attorno al nucleo centrale perderebbero energia fino ad annichilire, ossia a collassare sul nucleo. THOMSON RUTHERFORD 1913: Bohr Bohr, partendo dallo studio degli spettri, basandosi sul modello di Rutherford e sulle scoperte di Planck, propone il proprio modello secondo cui: • gli elettroni si muovono intorno al nucleo su orbite fisse e quantizzate (ossia dotate di energia predefinita); • gli elettroni non emettono né assorbono energia; ● l'atomo può scambiare energia con l'esterno solo se un suo elettrone passa da un'orbita stazionaria ad un'altra. L'elettrone che acquisisce energia salta su un'orbita a maggiore energia. Questo elettrone però è instabile e quindi deve tornare nell'orbita dove si trovava prima, a più bassa energia e quindi salta ad un livello energetico inferiore. Questo salto prevede l'emissione di un fotone di energia pari alla differenza di energia tra le due orbite. Dunque, gli scambi di energia tra un atomo e l'ambiente che lo circonda avvengono per assorbimento o emissione di un fotone con energia pari a hv. Questo modello verrà successivamente messo in discussione dall'avvento di due importanti scoperte: • gli elettroni, come la luce, hanno una natura ondulatoria-particellare. Quindi era possibile associare alla massa dell'elettrone una lunghezza d'onda (De Broglie); • è impossibile conoscere simultaneamente la posizione e la velocità dell'elettrone (principio di indeterminazione di Heisenberg) poiché se io volessi individuare la posizione di un elettrone dovrei illuminarlo con un fotone, che rappresenta energia. Questo fotone verrebbe acquisito come uno stimolo eccitatorio che farebbe deviare l'elettrone dalla traiettoria in cui si trova. Pertanto si arriva a comprendere che non è possibile rappresentare un elettrone come una palla che ruota lungo un'orbita. n=3 n=2 5 Viene emesso un fotone con energia E=hv Aumento di energia dell'orbita n=1 Grazie per la visione A cura di Chiara Monterosso