ATOMI E PARTICELLE SUBATOMICHE

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1 ATOMI E PARTICELLE SUBATOMICHE ELETTRICITÀ DELL ATOMO ESISTONO DUE TIPI DI CARICHE ELETTRICHE, DENOMINATE CONVENZIONALMENTE NEGATIVA E POSITIVA CARICHE DI SEGNO UGUALE SI RESPINGONO, MENTRE CARICHE DI SEGNO OPPOSTOSI ATTRAGGONO LE CARICHE ELETTRICHE POSSONO PASSARE DA UN CORPOAD UN ALTRO UN CORPO È ELETTRICAMENTE NEUTRO QUANDO POSSIEDE UGUAL NUMERO DI CARICHE POSITIVE E NEGATIVE L ELETTRONE W. CROOKES ( ) CATODO ANODO - + MASSA = 9, kg CARICA = -1, C 1

2 IL PROTONE GOLDSTEIN VERIFICA L ESISTENZA DELLE CARICHE POSITIVE CATODO ANODO RILEVATORE - + MASSA PROTONE 1, kg MASSA PROTONE = 1836 MASSA ELETTRONE! CARICA PROTONE = 1, C IL NEUTRONE VALORE DELLA MASSA DI UN ATOMO ESPRESSO È MAGGIORE DELLA SOMMA DELLE MASSE DEI PROTONI E DELL ELETTRONE ATOMO DI OSSIGENO HA MASSA 16, 17, 18 uma J. CHADWICK (1932) SCOPRE IL NEUTRONE: PARTICELLA PRIVA DI CARICA E MASSA PARI AD 1, kg (1 uma) NUMERO ATOMICO NUMERO DI MASSA ATOMI DELLO STESSO ELEMENTO, IN CONDIZIONI NORMALI, POSSIEDONO LO STESSO NUMERO DI PROTONI E DI ELETTRONI NUMERO ATOMICO (Z)=NUMERO DI PROTONI PRESENTI NEL NUCLEO DI UN ATOMO NUMERO DI MASSA (A)=NUMERO DI PROTONI+NUMERO DI NEUTRONI X A Z 2

3 GLI ISOTOPI ISOTOPI=ATOMI DEL MEDESIMO ELEMENTO CHE POSSIEDONO STESSO NUMERO DI ELETTRONI E PROTONI, MA DIFFERENTENUMERO DI NEUTRONI UNITÀ DI MASSA ATOMICA (uma) 1 1uma M C MASSA PROTONE = 1 uma MASSA ELETTRONE = 1/1836 uma MASSA NEUTRONE = 1 uma MODELLI FINO A RUTHERFORD-BOHR 3

4 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE SPETTRO ELETTROMAGNETICO 4

5 RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE ENERGIA DI UNA ONDA LUMINOSA QUANTIZZAZIONE ENERGIA 5

6 ONDA-PARTICELLA L. DE BROGLIE (1924) hν E c ν λ h λ mv h mv λ MOMENTO DI UN FOTONE MOMENTO DI UNA PARTICELLA PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Principio di indeterminazione di Heisenberg Si consideri una vettura (1000 kg) che si muove a 30 m/s (circa 110 km/h) e assumendo un errore sulle misure di 1/10 6 : p = m x v = 1000 x ms -1 = ms - da cui x = m!! 6

7 Principio di indeterminazione di Heisenberg Si consideri un elettrone (10-31 kg) che si muova anch esso a 30 m/s (circa 110 km/h) e assumendo un errore sulle misure di 1/10 6 : p = m x v = x ms -1 = ms -1 da cui x = m!! Accertata l impossibilità di determinare sperimentalmente le proprietà dell elettrone, si è deciso di determinare la PROBABILITA di trovare un elettrone in una area definita intorno al nucleo. L elettrone viene trattato come un onda di materia EQUAZIONE DI SCHROEDINGER Ad ogni elettrone corrisponde una funzione d onda che dipende dal suo livello energetico. 2 ( X, Y, Z ) dv Probabilità di trovare l elettrone nel volume dv NUMERI QUANTICI Il numero quantico principale n (enne) riguarda la quantizzazione della energia totale E tot (corrisponde cioè ai livelli di energia indicati nello schema energetico del modello) e può assumere i valori n=0,1,2,... Il numero quantico secondario o azimutale l (elle) è relativo al momento angolare e può assumere valori condizionati dal valore di n: l=0,1,2,...,(n-1) 7

8 NUMERO QUANTICO MAGNETICO Il numero quantico magnetico m (emme) è relativo alla quantizzazione "spaziale" del momento angolare, che può assumere, cioè, solo certe orientazioni rispetto ad una definita direzione; la direzione viene definita solo in presenza di un campo elettrico o magnetico che orienti il vettore. Il campo può essere esterno, imposto da noi, oppure dovuto alla vicinanza di altri atomi o molecole. m= -l, -l+1,...-1, 0, 1,...l-1, l Orbitali Atomici per l = 0 s per l = 1 p per l = 2 d per l = 3 f Potremo avere perciò, per esempio, gli orbitali 2p (con n=2 e l=1) 3s (con n=3 e l=0) 5f (con n=5 e l=3) n l m simbolo: s simbolo: p simbolo: d s s p z p x p y s p z p x p y d z d xz d yz d xy d x2-y s p z p x p y 8

9 ORBITALE s ORBITALE s ORBITALI p x, p y p z 9

10 ORBITALI d d z 2 d x 2 -y 2 d xz d yz d xy NUMERO QUANTICO DI SPIN m s m s = ± 1/2 La tendenza generale delle particelle è di associarsi fra loro con spin antiparalleli: AUFBAU E PERIODICITÀ Principio di minima energia: ogni elettrone occupa l'orbitale disponibile a energia più bassa. Principio di Pauli: in un atomo non possono esistere 2 elettroni con i 4 numeri quantici eguali; perciò, nello stesso orbitale, possono esserci 2 soli elettroni purché con m s, momento di spin, diverso; gli spin dei due elettroni devono essere perciò antiparalleli, dato che, essendo nello stesso orbitale, gli elettroni hanno gli altri 3 numeri quantici n, l, m, eguali. Regola di Hund o della massima molteplicità: se due o più elettroni occupano orbitali degeneri (cioè a eguale energia), gli elettroni occupano il maggior numero possibile di questi orbitali, e a spin paralleli. 10

11 ENERGIA DEGLI ORBITALI 11

12 Blocco s Blocco p Blocco d s Blocco f RAPPRESENTAZIONI CROMO E RAME SI DOVREBBE OTTENERE: Cr [Ar]3d 4 4s 2 Cu [Ar]3d 9 4s 2 INVECE LE CONFIGURAZIONI REALI SONO: Cr [Ar]3d 5 4s 1 Cu [Ar]3d 10 4s 1 12

13 ENERGIA DI IONIZZAZIONE AFFINITÀ ELETTRONICA F = -328 kj/mol; Be = 0; i non metalli formano anioni molto più stabili dei metalli! ENERGIA DI IONIZZAZIONE, AFFINITÀ ELETTRONICA RAGGIO ATOMICO RAGGIO ATOMICO ENERGIA DI IONIZZAZIONE, AFFINITÀ ELETTRONICA 13

14 FINE RAGGIO ATOMICO NATURA ELETTRICA DELLA MATERIA A. VOLTA ( ) DIMOSTRA CHE DA REAZIONI CHIMICHE SI OTTIENE CORRENTE ELETTRICA W. NICHOLSON ( ) A. CARLISLE ( ) DIMOSTRARONO CHE SI PUÒ PROVOCARE UNA REAZIONE CHIMICA ATTRAVERSO IL PASSAGGIO DI CORRENTE ELETTRICA 14

15 CARATTERISTICHE DELL ELETTRONE L EMISSIONE DI RAGGI CATODICI È UNA PROPRIETÀ DELLA MATERIA. È INDIPENDENTE DAL MATERIALE CON CUI È COSTITUITO IL CATODO E IL GAS CONTENUTO NEL TUBO I RAGGI CATODICI HANNONATURACORPUSCOLARE I RAGGI CATODICI HANNOUNATRAIETTORIALINEARE LA TRAIETTORIA PUÒ ESSERE DEVIATA DALL AZIONE DI UN CAMPO ELETTRICO E/O MAGNETICO MASSA = 9, kg CARICA = -1, C CARATTERISTICHE DEL PROTONE PARTICELLE CON CARICA POSITIVA LA MASSA DIPENDE DAL GAS CONTENUTO NEL TUBO, SE IL GAS È L IDROGENO, LA MASSA ASSUME IL VALORE PIÙ PICCOLO MASSA = 1, kg CARICA = +1, C RADIOATTIVITÀ NATURALE H. BECQUEREL ( ) SCOPRE CHE L URANIO EMETTE SPONTANEAMENTE RADIAZIONI 15

16 TIPI DI RADIAZIONI RAGGI a: HANNO UNA CARICA POSITIVA DOPPIA RISPETTO A QUELLA DEL PROTONE, E UNA MASSA DI CIRCA 7000 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA DELL ELETTRONE RAGGI b: SONO COSTITUITI DA ELETTRONI RAGGI g: SONO RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE, PRIVE DI CARICA SPETTRI DI EMISSIONE SPETTRO CONTINUO vs. SPETTRO IDROGENO 16

17 ORBITALI dx 2 -y 2 E dxy 17