Le particelle dell’attimo e la sua struttura

Didascalia alternativa:

nel suo esperimento, bombardò gli tomi di una sottilissima lamina d'oro con dense particelle alfa (a), nuclei di elio formati da due neutroni e due protoni e senza elettroni. Dopo l'urto, le particelle alfa venivano raccolte da uno schermo in grado di evidenziare la loro presenza. I risultati: Gran parte delle particelle alfa attraversava il foglio d'oro senza subire quasi nessuna deviazione da parte degli elettroni Alcune particelle venivano deviate/respinte (1 su 20.000) Altre rimbalzate indietro, come se avessero colpito un corpo molto denso e carico positivamente Rutherford quindi fece delle osservazioni: L'atomo è composto da un nucleo centrale, in cui sono concentrate la massa dell'atomo e le cariche positive. Ecco perché le particelle alfa venivano respinte. Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo e ruotano attorno ad esso IL NUMERO ATOMICO IDENTIFICA GLI ELEMENTI - NUMERO ATOMICO (Z) = numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo. Se l'atomo è neutro allora il numero atomico è uguale a quello degli elettroni NUMERO DI MASSA (A) numero di protoni + numero di neutroni ISOTOPI = sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse, perché contengono un diverso numero di neutroni IONI = atomi o gruppi di atomi con una o più cariche elettriche positive o negative. Cationi + e Anioni - LA DOPPIA NATURA DELLA LUCE Gli scienziati hanno impiegato molto tempo per elaborare una teoria in grado di spiegare tutti i fenomeni luminosi che possiamo osservare. Grazie al lavoro di due fisici, Plank ed Einstein, sappiamo che la luce ha doppia natura, ondulatoria e corpuscolare. La luce è un'onda elettromagnetica. Fanno parte dello spettro elettromagnetico i raggi x, l'infrarosso, le onde radio e la luce. Lo spettro elettromagnetico va dal violetto (400 nm) al rosso (700 nm). Le grandezze che caratterizzano i fenomeni ondulatori sono: La frequenza (ni) = indica il numero di oscillazioni complete compiute da un'onda in un secondo e si misura con HERTZ. La lunghezza d'onda (lambda) = indica la distanza dopo la quale un'onda si riproduce uguale a se stessa e si misura in metri La velocità di propagazione = le onde elettromagnetiche si propagano nel vuoto La lunghezza d'onda e la frequenza sono grandezze inversamente proporzionali: a frequenze elevate corrispondono piccole lunghezze d'onda e a basse frequenze corrispondono grandi lunghezze d'onda. L'occhio umano è in grado di percepire solo una piccolissima parte dell'intero spettro, un intervallo compreso tra 400 nm a 700 nm. Esso è detto spettro visibile e comprende i colori dal rosso al violetto. Quando la luce interagisce con la materia, emerge la sua seconda natura, quella corpuscolare. Quando proiettiamo un fascio di luce ultravioletta prodotto da una lampada a vapori a mercurio su una lastrina di zinco, possiamo provocare un'espulsione di elettroni dalla superficie del metallo (effetto fotoelettrico). Questo accade solo se la frequenza della luce è superiore a un certo valore detto energia di soglia. Possiamo pensare a ciascun raggio di luce come a un insieme di "pacchetti di energia", detti anche FOTONI o quanti di energia luminosa. I fotoni sono privi di massa ma dotati di energia. (quantizzata) Propagazione = comportamento ondulatorio Interazione con la materia = comportamento corpuscolare LA LUCE DEGLI ATOMI Se riscaldiamo un filo metallico, osserviamo I'missione di una luce bianca. Se facciamo passare questa luce prima attraverso un fendinebbia e poi attraverso un prisma di vetro, otteniamo uno spettro continuo, costituito da radiazioni di tutte le frequenze. (solidi e liquidi a incandescenza) Se analizziamo la luce emessa da gas rarefatti ad alta temperatura, avremo invece uno spettro discontinuo, costituito da un certo numero di righe colorate. Esso è chiamato spettro a righe. Gli spettri a righe sono utilizzati per riconoscere gli elementi. ATOMO DI IDROGENO SECONDO BOHR Bohr comprese che l'emissione di luce da parte degli atomi deve avere a che fare con gli elettroni e con l'energia emessa o assorbita per piccole quantità definite. Egli elaborò un nuovo modello atomico per l'atomo di idrogeno e quindi perfezionando quello di Rutherford. L'elettrone percorre soltanto determinate orbite circolari, chiamate orbite stazionarie, senza assorbire o emettere energia. All'elettrone sono permesse solo certe orbite, cui corrispondono determinati valori di energia. Le orbite sono quantizzate. Per passare da un'orbita all'altra di livello energetico più elevato, l'elettrone assorbe un quanto di energia fornita, per esempio sotto forma di calore Quando un elettrone cade su un livello di energia inferiore emette un fotone di opportuna frequenza L'energia del fotone messo o assorbito corrisponde alla differenza di energia tra le due orbite. STATO FONDAMENTALE = elettrone si trova più vicino al nucleo STATO ECCITATO = elettrone non si trova nel punto prestabilito Gli elettroni degli atomi eccitati ritornano allo stato fondamentale direttamente o scendendo per gradino, ovvero passando per i livelli di energia inferiori, con l'emissione di un fotone. ENERGIA DI IONIZZAZIONE Il modello atomico a strati è stato elaborato sulla base di dati sperimentali e calcoli matematici. Per ottenere informazioni sulla disposizione degli elettroni intorno al nucleo possiamo allontanarli uno dopo l'altro e determinare, la quantità di energia necessaria per compiere questa operazione. L'energia richiesta per strappare un elettrone dipende dalla forza che lega l'elettrone al nucleo e dalla loro reciproca distanza. Maggiore è la carica del nucleo, maggiore e l'attrazione; maggiore è la distanza, minore attrazione. Quando forniamo energia l'atomo, gli elettroni possono compiere salti quantici verso i livelli più esterni dove si ha un'energia superiore. Se forniamo una quantità di energia ancora maggiore l'elettronica ne verrà allontanato dall' atomo. Questo processo viene detto ionizzazione. L'energia di prima ionizzazione di un atomo è l'energia necessaria per rimuovere un elettrone dall'atomo stesso quando è isolato e allo stato gassoso. L'atomo possiede una determinata energia di ionizzazione che può essere alta o bassa. LIVELLI E SOTTOLIVELLI DI ENERGIA Secondo Bohr e secondo il nuovo modello atomico, gli elettroni sono sistemati in livelli di energia crescenti. I livelli di energia sono numerati dal più basso al più alto. n = 1/n = 2/ n= 3/n = 4/n = 5/n = 6/n = 7 Questi 7 principali livelli di energia sono in grado di descrivere la struttura elettronica di tutti gli elementi della tavola periodica. N è il numero quantico principale. Per calcolare il numero massimo di elettroni presenti in un livello energetico si usa la formula 2n^2. SOTTOLIVELLI ENERGETICI Ciascun livello di energia è suddiviso in uno o più sottolivelli. I primi quattro sottolivelli sono s, p, d, f. LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA DEGLI ELEMENTI La rappresentazione completa dei sottolivelli occupati da tutti gli elettroni in un atomo oppure in uno ione, è chiamata configurazione elettronica. Ogni atomo, nel suo stato fondamentale, a elettroni sui sottolivelli a più bassa energia possibile, cioè più vicini al nucleo. Gli elettroni iniziano a disporsi sul sottolivello a più bassa energia, fino al numero massimo consentito prima di cominciare a riempire il sottolivello successivo, ad alta energia. il numero di elettroni di un atomo neutro è uguale al numero atomico dell'elemento. L'ELETTRONE: PARTICELLA O ONDA? Per comprendere la struttura atomica è necessario passare a un modello basato sulla probabilità di trovare una particella nello spazio. Questo passaggio fu segnato da un fisico e matematico tedesco chiamato de Broglie. Egli realizzò che gli elettroni hanno un comportamento ah no l'ho ovvero che essi in moto attorno al nucleo si comportano come particella e alcune volte come onda. Le onde associate all' elettrone si chiamano onde di materia. PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Il principio di indeterminazione formulato da Heisenberg dice che è impossibile conoscere, nel medesimo istante e con la massima precisione, dove si trovi un elettrone e con che velocità si stia muovendo. Questo principio si può spiegare immaginando di voler focalizzare un elettrone. Per farlo dovremmo illuminarlo con un fascio di luce. Poiché l'elettrone è molto piccolo, i fotoni del fascio dovrebbero avere energia tanto elevata da riuscire a modificare traiettoria e velocità dell'elettrone che colpiscono. Quindi in conclusione, poiché non possono misurare con precisione e nello stesso momento posizione e velocità istantanea dell'elettrone, è impossibile assegnargli un'orbita definita come aveva previsto Bohr. L'EQUAZIONE D'ONDA E L'ORBITALE L'equazione d'onda è un'equazione che tiene conto del comportamento ondulatorio dell'elettrone. L'equazione d'onda definisce la probabilità con cui un elettrone è presente nei diversi punti dello spazio attorno al nucleo. L'orbitale e uno strumento matematico per calcolare la probabilità di presenza di un elettrone. Gli orbitali possono essere visualizzati anche come nubi di carica elettrica negativa aventi forma dimensione e orientamento caratteristici e una determinata energia. Ogni orbitale è descritto da tre numeri quantici. I numeri quantici di un orbitale sono tre numeri interi che compaiono nell' equazione d'onda di ogni orbitale e ne caratterizzano l'energia, la forma, la dimensione e l'orientamento. NUMERO QUANTICO PRINCIPALE Il numero quantico principale definisce il contenuto energetico dell'elettrone che dipende dalla sua distanza dal nucleo. I orbitali sono caratterizzati da il numero quantico principale che può assumere soltanto i valori interi 1,2,3,4,5,6 e 7. NUMERO QUANTICO SECONDARIO Il numero quantico secondario, I, divide i livelli elettronici in gruppi di orbitali, chiamati sottolivelli. Definisce la forma dell'orbitale. Ciascun tipo di orbitale è sempre preceduto dal numero quantico principale virgola che indica il livello di energia a cui appartiene l'orbitale. le forme El volumi dei diversi tipi di orbitali sono molto differenti tra loro. La forma degli orbitali S è sferica, a centro della sfera c'è il nucleo. Il volume della sfera aumenta al crescere del numero quantico principale n. Gli orbitali di tipo P ha un doppio lobo, il nucleo dell'atomo si trova al centro dei due lobi. Gli orbitali p possono essere al massimo tre, orientati lungo i tre assi cartesiani ortogonali x, y ez. Gli orbitali di tipo D sono cinque. Gli orbitali di tipo F sono sette e hanno forme ancora più complesse. NUMERO QUANTICO MAGNETICO Il terzo numero quantico è detto numero quantico magnetico, m. per ogni valore di l, m assume valori interi che vanno da -I a +I. orientamento degli orbitali NUMERO QUANTICO DI SPIN Il numero quantico magnetico di spin è il quarto numero quantico e possiede soltanto due valori: +1/2 (antiorario) e -1/2 (orario). Viene detto di spin perché indica il verso di rotazione dell'elettrone: gli elettroni ruotando su se stessi generali campo magnetico e quindi due cariche disegno uguale e si respingono. PRINCIPIO DI ESCLUSIONE Il principio di esclusione enunciato da un fisico austriaco detto Paoli, dice che in un orbitale non possono essere presenti gli stessi numeri quantici. Se due elettroni occupano lo stesso orbitale e si hanno spin opposti.