Atomo: Particelle elementari.

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1 Atomo: Particelle elementari.

2 Capitolo 7 Le particelle dell atomo 1. La natura elettrica della materia 2. La scoperta delle proprietà elettriche 3. Le particelle fondamentali dell atomo 4. La scoperta dell elettrone 5. L esperimento di Rutherford 6. Il numero atomico 7. Il numero di massa e gli isotopi 8. Le trasformazioni del nucleo 9. I tipi di decadimento radioattivo 10. Misura, effetti e applicazioni delle radiazioni 11. L energia nucleare 12. Fissione e fusione nucleare

3 1. La natura elettrica della materia Lo strofinio di qualsiasi oggetto provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può attrarre piccoli oggetti. La carica elettrica può essere positiva o negativa. Cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono.

4 1. La natura elettrica della materia Un corpo è elettricamente neutro quando presenta un uguale numero di cariche positive e negative. Lo strofinio fa migrare da un corpo ad un altro cariche negative chiamate elettroni.

5 2. La scoperta delle proprietà elettriche Il termine elettricità deriva dalla parola elektron che gli antichi Greci utilizzavano per spiegare il fenomeno dell elettrizzazione dell ambra per strofinio con un panno di lana. Fino alla fine del Settecento l elettricità era conosciuta solo la forma di elettricità detta statica.

6 2. La scoperta delle proprietà elettriche Fu l americano Benjamin Franklin il primo a parlare di fluido elettrico, costituito da particelle repulsive, distinguendo l elettricità positiva e l elettricità negativa. Grazie all invenzione della pila di Volta, nell Ottocento, si comprese che l elettricità è una corrente lenta capace di provocare trasformazioni chimiche.

7 2. La scoperta delle proprietà elettriche Si deve poi al chimico svedese Berzelius il collegamento tra elettrochimica e teoria atomica: egli suggerì l idea che ogni atomo possedesse sia la carica positiva che la carica negativa e che atomi diversi combinandosi neutralizzassero le residue cariche elettriche.

8 3. Le particelle fondamentali dell atomo Gli atomi sono formati da tre particelle fondamentali: l elettrone con carica negativa; il protone con carica positiva; il neutrone privo di carica.

9 3. Le particelle fondamentali dell atomo Neutroni e protoni non sono particelle elementari, ma sono composte da altre particelle: i quark.

10 particelle elementari Higgs boson

11 particelle elementari (fermioni)

12 3. Le particelle fondamentali dell atomo Nel Novecento si è scoperto che l atomo contiene una zona piccola e densa, il nucleo, in cui si trovano neutroni e protoni (i nucleoni).

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14 L esperimento 4. La scoperta di dell elettrone Thomson con i tubi di Crookes ha portato alla scoperta, nel 1897, degli elettroni, particelle cariche negativamente che costituiscono le radiazioni definite raggi beta o raggi catodici.

15 raggi catodici

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17 Thomson 4. Le scoperta riuscì dell elettrone a determinare il rapporto carica/massa dell elettrone (1,75x10 8 C/g), misurando la deviazione che i raggi catodici subivano al variare dell intensità del campo magnetico.

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19 4. La scoperta dell elettrone Nei laboratori dell Università di Cambridge Thomson dimostrò quindi la natura corpuscolare dei raggi catodici. Il fisico George FitzGerald propose il nome elettrone per la particella. Nel 1909 Robert Millikan calcolò la carica elettrica dell'elettrone, fu quindi possibile calcolare la massa dell'elettrone. Gli elettroni sono contenuti negli atomi di tutti gli elementi. Quando vengono separati dagli atomi, gli elettroni sono tutti uguali tra loro. Fu presto chiaro che all interno dell atomo doveva esistere una carica elettrica positiva corrispondente a quella negativa degli elettroni.

20 5. L esperimento di Rutherford Thomson propose come modello una sfera carica positivamente con gli elettroni sparsi al suo interno. Nel 1910 Rutherford dimostrò che questo modello era errato.

21 Wilhelm Roentgen Nel 1895 Roentgen osservò che in un tubo di Crookes l anodo colpito dai raggi catodici emetteva raggi in grado di illuminare schermi a fluorescenza a metri di distanza. A questi raggi ad alta energia che attraversavano la materia fu dato il nome di raggi X. La prima radiografia eseguita da Roentgen il 22 dicembre 1895

22 Henry Becquerel Nel 1896 Becquerel osservò che Sali di Uranio (conservati su una scrivania) erano in grado di impressionare una lastra fotografica (conservata sulla stessa scrivania) ben protetta in un contenitore di metallo. La Croce di Malta impressa sulla lastra fotografica

23 Pierre Curie e Marie I coniugi Curie coniarono il termine radioattività per indicare le radiazioni osservate da Bequerel, e ne osservarono la natura (alcuni atomi sono instabili e decadono, trasformandosi). Sklodowska-Curie

24 Decadimento U 238 Pb 206 periodo di dimezzamento di circa 4.5 miliardi di anni

25 8. Le trasformazioni del nucleo Rutherford giunse a definire la natura dei diversi tipi di radiazioni: raggi, corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4); raggi, fasci di elettroni veloci (carica 1,); raggi, radiazioni elettromagnetiche a grande energia.

26 8. Le trasformazioni del nucleo

27 5. L esperimento di Rutherford Per comprendere la natura degli atomi, essendo ormai chiaro che erano capaci di dividersi ed emettere radiazioni, li si incominciò a bombardare con particelle radioattive.

28 Hans Geiger e Ernest Rutherford

29 Rutherford determinò la natura delle particelle 5. L esperimento di Rutherford (atomi di elio privi di due elettroni) con le quali poi bombardò una sottilissima lamina d oro: le particelle dopo l urto con gli atomi d oro venivano raccolte ed evidenziate su un apposito schermo.

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31 Studiando 5. L esperimento il comportamento di Rutherford delle particelle, Rutherford poté stabilire che: gran parte di esse non subiva deviazioni e attraversava la lamina; alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale; un numero molto esiguo rimbalzava, tornando indietro, violentemente.

32 «Era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. Pensandoci, ho capito che doveva essere il risultato di una sola collisione, e quando feci il calcolo vidi che era impossibile a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo.» Ernest Rutherford Thomson Rutherford

33 Il raggio di un nucleo è dell'ordine di grandezza di metri, l atomo di metri. La materia è quasi del tutto vuota. Se il nucleo assumesse la dimensione di una arancia, l'elettrone, con la dimensione di una lenticchia, si muoverebbe intorno ad esso in un'orbita con un raggio di una trentina di chilometri.

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35 5. L esperimento di Rutherford Modello planetario dell'atomo l atomo è composto da un nucleo in cui sono concentrate carica positiva e massa; gli elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo e vi ruotano intorno come pianeti; il numero di elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo.

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37 Il modello atomico di Rutherford, pur rappresentando un notevole balzo in avanti, ebbe comunque vita breve, in quanto non si accordava con altre osservazioni sperimentali: soprattutto non era in grado di giustificare la stabilità degli atomi. Secondo le leggi dell'elettromagnetismo, una carica elettrica in movimento irradia energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, e l'elettrone, dotato di carica elettrica, nella sua orbita intorno al nucleo avrebbe dovuto perdere continuamente energia e finire col cadere sul nucleo. La contraddizione del modello atomico planetario di Rutherford venne risolta nel 1913 dal fisico danese Bohr, secondo le leggi della nascente fisica quantistica formulate da Planck.

38 Nel 1913 Moseley scopre una legge fisica che lega la frequenza dei raggi X emessi con il numero di cariche positive contenute in un metallo, il numero atomico. Henry Moseley

39 Protone Nel 1919 Rutherford riesce a spezzare nuclei di azoto, bombardandole con particelle alpha, e mostra che vengono emessi nuclei di idrogeno, per cui viene coniato il termine protone, in quanto si pensava si trattasse di particelle prime della materia.

40 James Chadwick - Neutrone Nel 1932, Chadwick dimostra con un esperimento l esistenza, finora solo ipotizzata, della particella del Neutrone.

41 Numero atomico (Z) e Numero di Massa (A)

42 6. Il numero atomico I nuclei di atomi diversi presentano diversa carica positiva, quindi contengono un diverso numero di protoni. Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo è detto numero atomico (Z). Se l atomo è neutro il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.

43 6. Il numero atomico Il numero atomico è caratteristico di ogni elemento ed è la grandezza fondamentale che lo identifica. La posizione degli elementi nella tavola periodica dipende dal numero di cariche positive presenti nel nucleo, ovvero dal numero di protoni.

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45 7. Il numero di massa e gli isotopi Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n ) contenuti nel nucleo A = Z + n

46 7. Il numero di massa e gli isotopi Conoscendo il numero atomico e il numero di massa di un elemento si può calcolare il numero di neutroni contenuti nel suo nucleo: n = A - Z

47 isotopi Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse, perché contengono un diverso numero di neutroni.

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49 massa atomica relativa La massa atomica relativa di un elemento che si legge sulla tavola periodica è la media ponderata delle masse dei suoi isotopi, calcolati secondo la loro abbondanza percentuale, espressa in unità di massa atomica (u). Oggi le masse atomiche si determinano attraverso lo spettrometro di massa.

50 I due principali isotopi stabili del cloro, 35 Cl (75,77%) e 37 Cl (24,23%), conferiscono al cloro una Massa Atomica Relativa di 35,5 u. I principali isotopi dell ossigeno e la loro abbondanza percentuale in natura: 16 O 99,8% 17 O 0,03% e 18 O 0,2 %

51 Conseils Solvay 1911 La théorie du rayonnement et les quanta

52 Radioattività ed energia nucleare

53 8. Le trasformazioni del nucleo Il decadimento radioattivo è un processo che trasforma il nucleo di un elemento nel nucleo di un elemento diverso. decadimenti radioattivi sono determinati da I instabilità interne dei nuclei. La radioattività è il processo di emissione di una particella o di una radiazione dal nucleo.

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55 8. Le trasformazioni del nucleo Alcuni isotopi sono instabili ed emettono spontaneamente una particella, trasformandosi nel nucleo di un altro elemento. In una trasformazione nucleare, ovvero quando cambia la struttura del nucleo, gli atomi di un elemento cambiano la propria identità.

56 8. Le trasformazioni del nucleo Tutti i nuclei con Z > 83 sono instabili, cioè radioattivi. Sono inoltre instabili nuclei con eccesso o difetto di neutroni, o con troppa energia.

57 8. Le trasformazioni del nucleo 3 diversi tipi di radiazioni: raggi, corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4); raggi, fasci di elettroni veloci (carica 1,); raggi, radiazioni elettromagnetiche a grande energia.

58 Nel 9. I decadimento tipi di radioattivo il numero atomico del nucleo di partenza diminuisce di due unità e il suo numero di massa di quattro unità. Il decadimento è tipico dei nuclei con numero elevato sia di protoni che di neutroni.

59 Nel 9. I decadimento tipi di decadimento - il radioattivo numero atomico del nucleo che si forma è superiore di un unità rispetto al nucleo di partenza, ma rimane inalterato il numero di massa. Il decadimento è tipico dei nuclei troppo ricchi di neutroni rispetto ai protoni.

60 Nell emissione + (positroni) e nella cattura 9. I tipi elettronica di decadimento il numero radioattivo atomico del nucleo che decade diminuisce di un unità rispetto al nucleo di partenza, ma rimane inalterato il numero di massa. Il nuovo nuclide si trova spostato di una posizione a sinistra nella tavola periodica. L emissione + e la cattura elettronica si verificano quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto a quello dei neutroni.

61 9. I tipi di decadimento radioattivo Nell emissione rimangono inalterati sia il numero atomico che il numero di massa. Il nuovo nuclide rimane nella stessa posizione nella tavola periodica.

62 9. I tipi di decadimento radioattivo Il tempo di dimezzamento è il tempo occorrente per ridurre della metà la quantità di un isotopo radioattivo.

63 10. Misura, effetti e applicazioni delle radiazioni Il contatore Geiger è lo strumento che misura la radioattività. Nel SI, l unità di misura di una sostanza radioattiva è il becquerel (Bq) che corrisponde a una disintegrazione al secondo.

64 10. Misura, effetti e applicazioni delle radiazione Le radiazioni trasportano una grande quantità di energia e perciò hanno potere ionizzante: questo può provocare, per esempio, gravi alterazioni nei tessuti corporei. Le radiazioni provocano danni 20 volte maggiori rispetto alle radiazioni e.

65 Energia nucleare

66 11. L energia nucleare L energia nucleare è l energia che si dovrebbe spendere per separare fra loro i nucleoni. La stessa quantità di energia viene ceduta nel processo inverso di aggregazione dei nucleoni.

67 11. L energia nucleare Il difetto di massa è la differenza tra la somma delle masse dei nucleoni che si devono aggregare per formare un nucleo e la massa nucleare effettiva.

68 11. L energia nucleare La relazione che calcola l energia nucleare a partire dal valore di difetto di massa del nucleo, deriva dalla teoria della relatività di Einstein ed è:

69 11. L energia nucleare L energia in gioco in una trasformazione nucleare corrisponde alla differenza tra l energia dei nuovi nuclei prodotti e quella dei nuclei reagenti. L energia nucleare è circa un milione di volte superiore all energia di legame.

70 12. Fissione e fusione nucleare La fissione e la fusione nucleare sono le reazioni nucleari di maggior interesse per la produzione di energia.

71 12. Fissione e fusione nucleare La fissione nucleare è la divisione di un nucleo instabile in due nuclei più piccoli con liberazione di neutroni e di energia.

72 12. Fissione e fusione nucleare Le reazioni di fissione sono sfruttate nei reattori per produrre energia.

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74 Trinity, New Mexico, 16/07/45

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77 12. Fissione e fusione nucleare Nella reazione di fusione nucleare due nuclei leggeri si fondono per dare luogo a uno più pesante.