Capitolo 2. Cenni alla Composizione e Struttura dell atomo

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1 Master in Verifiche di qualità in radiodiagnostica, medicina nucleare e radioterapiar Capitolo 2 Cenni alla Composizione e Struttura dell atomo 24

2 Atomi, Molecole,, e Ioni L idea di Atomo è antica come la civiltà occidentale (Democrito e Lucippo, 400 a.c.) anche se per Aristotele tutto era riconducibile a 4 elementi: acqua, terra, aria e fuoco. Soltanto negli ultimi 15 anni è divenuto possibile vedere singoli atomi. Esempio: atomi di Carbonio all interno della grafite: 1Å=10-10 m 25

3 L Atomo di Dalton La comprensione moderna della materia non è emersa fino al 1806 quando John Dalton presentò la sua teoria atomica : n Ciascun elemento chimico è composto di atomi. n Gli atomi di un dato elemento sono tutti gli stessi. Atomi di diversi elementi sono diversi. n Durante una reazione chimica gli atomi coinvolti non si creano nè si distruggono. n I composti chimici si formano quando atomi di 2 o più elementi si combinano insieme. 26

4 Legge delle Proporzioni Multiple Nei composti degli elementi A e B le masse di A e B stanno in un rapporto rappresentato da numeri interi piccoli. 8 g ossigeno Acqua (H 2 O): 1 g idrogeno Acqua Ossigenata 16 g ossigeno (Perossido di Idrogeno H 2 O 2 ): L acqua ossigenata deve contenere il doppio della quantità di ossigeno contenuta nell acqua, in quanto non si possono aggiungere parti di atomo ma solo multipli interi di essi. 1 g idrogeno 27

5 Atomi del tipo X Atomi del tipo Y Composto con gli elementi X e Y Legge delle proporzioni multiple 28

6 La scoperta della struttura dell Atomo Intorno alla metà del 1800 particelle cariche negativamente e chiamate elettroni furono scoperte da J.J. Thomson, che ne misurò il rapporto massa/carica elettrica utilizzando un tubo a raggi catodici, dispositivo da lui inventato. Lastre cariche elettricamente Alta Tensione magnete Tracce elettroniche Schermo fluorescente 29

7 La massa e la carica dell elettrone n La carica, negativa, dell elettrone elettrone fu misurata da Robert Millikan nel corso di un esperimento passato alla storia. Conseguenza: Tutte le cariche elettriche esistenti in Natura sono multipli interi della carica dell elettrone. n Risultò che la massa di un elettrone è circa 2000 volte più piccola di quella dell atomo più leggero (idrogeno). 30

8 Esperimento di Thomson - Generatore di Tensione + Tubo a Vuoto Elettrodi Metallici 31

9 Esperimento di Thomson - Generatore di Tensione + 32

10 Esperimento di Thomson - Generatore di Tensione + 33

11 Esperimento di Thomson - Generatore di Tensione + 34

12 Esperimento di Thomson - Generatore di Tensione + n Dall elettrodo negativo (catodo)) a quello positivo (anodo) si stabilisce una corrente elettrica ovvero un moto ordinato di un fascio di cariche elettriche negative. 35

13 Esperimento di Thomson Generatore - di Tensione + n Dall elettrodo negativo (catodo)) a quello positivo (anodo) si stabilisce una corrente elettrica ovvero un moto ordinato di un fascio di cariche elettriche negative. 36

14 Esperimento di Thomson - Generatore di tensione + n Dall elettrodo negativo (catodo)) a quello positivo (anodo) si stabilisce una corrente elettrica ovvero un moto ordinato di un fascio di cariche elettriche negative. 37

15 Esperimento di Thomson - Generatore di tensione + n Dall elettrodo negativo (catodo)) a quello positivo (anodo) si stabilisce una corrente elettrica ovvero un moto ordinato di un fascio di cariche elettriche negative. 38

16 Esperimento di Thomson Generatore di tensione n Aggiungendo un campo elettrico extra 39

17 Esperimento di Thomson Generatore di tensione Campo elettrico extra - n Aggiungendo un campo elettrico extra + 40

18 Esperimento di Thomson Generatore di tensione + Campo elettrico extra - n Aggiungendo un campo elettrico extra 41

19 Esperimento di Thomson Generatore di tensione + Campo elettrico extra n Aggiungendo un campo elettrico extra - 42

20 Esperimento di Thomson Generatore di tensione + Campo elettrico extra n Aggiungendo un campo elettrico extra - 43

21 Esperimento di Thomson Generatore di tensione + Campo elettrico extra n Aggiungendo un campo elettrico extra - 44

22 Esperimento di Thomson Generatore di tensione + Campo elettrico extra - n Thomson trovò che i portatori mobili di carica (la corrente) erano carichi negativamente 45

23 Atomo di Thomson Fatti sperimentali salienti: n Scoperta dell elettrone. n Insuccesso nella scoperta di un analoga carica positiva. n Neutralità elettrica dell atomo Modello a panettone dell atomo elettroni Carica positiva 46

24 pezzi mancanti nel puzzle atomico Oggigiorno sappiamo che un atomo, oltre agli elettroni contiene anche: n Protoni carichi positivamente e 1840 volte più massicci degli elettroni. n Neutroni neutri ma con all incicrca la stessa massa dei protoni. Ma dove si trovano? 47

25 Esperimento di Rutherford n Ernest Rutherford fisico inglese.. (1910) n Partì dall assunzione che il modello di Thomson fosse corretto. n Provò a misurare l estensione spaziale di un atomo. n Utilizzò la radioattività radioattività, cioè particelle α, cariche positivamente, rilasciate dall Uranio. n Rutherford le usò come proiettili proiettili, sparandoli contro una lamina d oro, usata come bersaglio, sottilissima, spessa solo qualche strato atomico,, e verificando il loro punto di impatto su di uno schermo fluorescente. 48

26 Esperimento di Rutherford blocco di piombo Uranio schermo fluorescente lamina d oro setup sperimentale 49

27 Ciò che Rutherford si aspettava era che: n Le particelle α passassero attraverso la lamina senza deviare apprezzabilmente dalla loro traiettoria. Perchè n le cariche positive erano distribuite uniformemente in tutto il volume atomico. In poche parole, secondo Rutherford, l esperimento avrebbe dovuto svolgersi così: 50

28 Rutherford si aspettava che 51

29 Perchè 52

30 Perchè, secondo il modello di Thomson dell Atomo la massa dell atomo (regione verde) carica positivamente doveva essere distribuita uniformemente all interno del volume atomico. 53

31 Bombardando più atomi di oro doveva succedere qualcosa di simile 54

32 invece, Rutherford osservò che 55

33 Spiegazione di Rutherford del risultato sperimentale ottenuto: l atomo risulta praticamente vuoto; Contiene, nel centro,, un pezzettino di materia (nucleo), molto denso e dotato di carica elettrica positiva,, in + cui è concentrata l intera massa; Le particelle α (cariche positivamente) se si avvicinano abbastanza al nucleo vengono deviate in modo sostanziale. 56

34 Infatti + 57

35 Modelli atomici Modello di Thomson (uva passa nel panettone) La struttura dell Atomo attuale Protoni (carica +) Elettroni (carica -) Neutroni (non carichi) Modello di Rutherford (planetario) 58

36 L Atomo e la sua Densità n La maggior parte delle particelle α, cariche +, passano indisturbate: perciò,, la quasi totalità del volume dell atomo deve essere praticamente vuota. n Le deviazioni dei proiettili incidenti, quando avvengono, sono significative: perciò l atomo deve contenere un pezzo di materia carico positivamente,, piccolo e massiccio. Conclusioni : volume piccolo, massa elevata e, quindi, elevata densità. n Rutherford aveva scoperto il nucleo dell atomo atomo. 59

37 L Atomo Moderno n L Atomo è quindi praticamente vuoto; n È suddiviso in due regioni: A. Nucleo, carico + : protoni e neutroni B. Nuvola elettronica, carica - : lo spazio dove può essere trovato un elettrone. 60

38 Dimensioni tipiche dell atomo Nucleo Elettroni 10-4 Å 1-5 Å 61

39 Dimensioni tipiche dell atomo n Se un atomo si estendesse occupando uno stadio da calcio (100 m) il suo nucleo avrebbe le dimensioni di una biglia di vetro (1 cm). n La densità di materia all interno del nucleo contenente l intera massa dell atomo è dell ordine di g/cm 3!!!!! n ρ aria 10-3 g/cm 3 (a 20 o C e pressione atmosferica) n ρ sangue 1 g/cm 3, ρ ferro 8 g/cm 3 62

40 L Atomo E la più piccola parte della materia che conserva le proprietà chimiche di un elemento. E composto da un nucleo centrale, circondato da elettroni che orbitano attorno ad esso. 63

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