Le particelle dell atomo

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1 La carica elettrica I fenomeni elettrici sono noti fin dall antichità: gli antichi Greci usavano la parola elektron per spiegare il fenomeno dell elettrizzazione dell ambra. I Greci sapevano che strofinando l ambra (l elektron, una resina fossile di colore giallo arancio) con un panno di lana, essa acquista la capacità di attrarre oggetti leggeri come piume o pagliuzze. Alla base dei fenomeni elettrici c è una proprietà della materia che si chiama carica elettrica

2 La carica elettrica La carica elettrica si manifesta in due forme opposte: carica elettrica positiva (+) e carica elettrica negativa (-) Come si vede nell immagine, la forza che si stabilisce tra cariche dello stesso segno è repulsiva, mentre la forza che si stabilisce tra cariche di segno opposto è attrattiva La forza F che si stabilisce tra due cariche elettriche si può calcolare con la legge di Coulomb F = K Q 1 Q 2 d 2 (K è una costante, Q 1 e Q 2 sono le cariche e d è la distanza tra le due cariche)

3 La carica elettrica I corpi normalmente non manifestano i fenomeni collegati alle cariche elettriche in quanto contengono cariche elettriche positive e negative in ugual numero: gli effetti delle cariche negative sono annullati dagli effetti delle cariche positive. I corpi sono elettricamente neutri I corpi sono costituiti da particelle piccolissime chiamate atomi Gli atomi non sono indivisibili come aveva ipotizzato Dalton Gli atomi sono formati da particelle ancora più piccole Le particelle fondamentali dell atomo sono tre Massa (Kg) Carica In Coulomb (C) Carica convenzionale Elettrone (e - ) 9,109 x ,602 x Protone (p + ) 1,673 x ,602 x Neutrone (n) 1,675 x

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5 Modello atomico di Rutherford Nel 1911 lo scienziato neozelandese E. Rutherford bomabardò una sottilissima lamina di oro con particelle alfa (le particelle alfa sono formate da due protoni e da due neutroni: hanno massa e carica positiva). Le particelle alfa positive passavano nel 99% dei casi attraverso la lamina senza subire deviazioni. In qualche caso venivano deviate con angoli superiori ai 90 e, in un caso su 8000, venivano respinte indietro. Foglio d oro Lo schermo rileva la deviazione delle particelle Sorgente di particelle α Particelle α deviate La maggior parte delle particelle non devia Analizzando i dati sperimentali Rutherford osservò che: le particelle alfa nella maggior parte dei casi oltrepassavano la lamina d'oro senza subire deviazioni. alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale; un numero molto tornava indietro.

6 Modello atomico di Rutherford Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford ipotizzò che l'atomo dovesse essere formato prevalentemente da spazio vuoto; La carica positiva e la massa (protoni e neutroni) dell'atomo dovessero essere concentrate in un "nocciolo" piccolissimo e centrale: il nucleo. Gli elettroni negativi dovessero muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del nucleo dovesse essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo. il numero di elettroni dovedsse essere tale da bilanciare la carica positiva del nucleo modello atomico di Thomson modello atomico di Rutherford Nel 1904 lo scienziato inglese J.J. Thomson propose il cosidetto modello a panettone che suscitò numerose curiosità e consensi. In base ai dati allora disponibili, Thomson immaginò che gli elettroni (negativi) fossero dispersi in una massa elettricamente positiva, in modo da determinarne l'equilibrio delle cariche. Questo modello atomico è detto modello planetario, poichè ricorda, in miniatura, il Sistema Solare in cui il sole rappresenta il nucleo dell'atomo e i pianeti gli elettroni, che si muovono, lungo le proprie orbite attorno al sole (nucleo dell'atomo).

7 Numero atomico e numero di massa Numero atomico e numero di massa sono due grandezze necessarie per quantificare il numero di particelle atomiche presenti in un determinato atomo Numero atomico Il numero atomico Z indica il numero di protoni (p+) presenti nel nucleo di un atomo. Atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni. In un atomo neutro il numero di protoniè uguale al numero di elettroni Numero di massa Il numero di massa A corrisponde invece alla somma tra il numero di protoni e il numero di neutroni presenti nel nucleo di un atomo (protoni e neutroni sono indicati complessivamente con il termine di nucleoni). Il numero di neutroni n si calcola applicando la seguente formula: n = A - Z in cui: A = numero di massa = numero protoni + numero neutroni Z = numero atomico = numero protoni

8 Numero atomico e numero di massa Se X è il simbolo di un elemento, il numero atomico Z viene indicato in basso a sinistra dell elemento e il numero di massa A in alto a sinistra del simbolo Numero di massa Numero atomico Il numero atomico Z rappresenta l identità chimica di un atomo: ogni elemento ha atomi caratterizzati da uno e uno solo numero atomico come evidenziato nella tabella: Z Elemento 1 H 8 O 11 Na

9 Isotopi Atomi che hanno lo stesso numero atomico Z (e quindi appartengono allo stesso elemento), ma differiscono per il numero di massa A si chiamano isotopi. Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi che vengono così rappresentati: 35 Cl e 37 Cl Poiché il cloro ha numero atomico Z = 17, i due isotopi differiscono per il numero di neutroni Per l'isotopo 35 Cl si ha: n = A - Z = = 18 neutroni Per l'isotopo 37 Cl si ha: n = A - Z = = 20 neutroni Gli atomi isotopi di uno stesso elemento hanno diverso numero di neutroni In questa immagine sono rappresentati i tre isotopi dell idrogeno o famiglia isotopica dell idrogeno

10 Reazioni nucleari Alcuni isotopi naturali hanno il nucleo instabile e, attraverso reazioni nucleari, si trasformano in isotopi più stabili. Un nucleo risulta instabile quando il numero di protoni è troppo elevato (Z > 83). Il nucleo di un isotopo instabile si trasforma in un nucleo stabile emettendo: particelle alfa ( ), corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4); particelle beta ( ), fasci di elettroni veloci (carica 1, massa 0); raggi gamma ( ), radiazioni elettromagnetiche a grande energia.

11 In questa immagine si nota la capacità penetrante delle particelle che possono essere emesse da un isotopo radioattivo

12 nuclei con numero atomico superiore a 83 e numero di massa superiore a 220 decadono emettendo particelle alfa α (nuclei di elio: 2 protoni e due neutroni) Il numero atomico Z diminuisce di due unità, il numero di massa A diminuisce di 4 unità

13 nuclei troppo ricchi di neutroni si trasformano in nuclei stabili emettendo elettroni veloci (particelle β - ). Tale emissione trasforma un neutrone in un protone n = p + e p = n e Con tale emissione il numero di massa A non cambia, il numero atomico Z aumenta di una unità In questa immagine si vede come il cobalto con A = 60 si trasformi in nichel con A = 60 È da notare che l emissione di una particella β - è accompagnata dall emissione di un raggio γ altamente energetico

14 nuclei troppo ricchi di protoni si trasformano in nuclei stabili in due modi: Emissione di elettroni positivi o positroni ( + ) Assorbimento di un elettrone orbitante da parte di un neutrone K Ar In entrambi i casi il numero di massa A non cambia, il numero atomico Z diminuisce di una unità