LA STRUTTURA DELLA MATERIA

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1 LA STRUTTURA DELLA MATERIA L atomo Le particelle elementari La tavola periodica degli elementi I livelli energetici Produzione di raggi X Interazione dei raggi X con la materia IL MONDO INTORNO A NOI Il mondo intorno a noi e l'intero Universo sono popolati da una grande diversità di materiali e forme di materia Sorprendentemente questa grande varietà di materia è composta da pochi e relativamente semplici mattoni fondamentali. La parola fondamentale e/o elementare sarà una parola chiave lungo tutto il nostro percorso di esplorazione dell'infinitamente piccolo. Per mattoni fondamentali intendiamo oggetti privi di una struttura interna, ovvero oggetti che a loro volta non possono essere scomposti in entità più piccole. 1. Mano 2. Pelle della mano 3. Cellula della pelle 4. Atomo 5. Nucleo dell atomo 1

2 L IDEA DELL ATOMO Democrito L'idea dell'esistenza di tali entità fondamentali risale al tempo dell'antica Grecia. I filosofi Leucippo e Democrito nel V secolo avanti Cristo credevano che tutta la materia dell'universo fosse fatta di piccolissimi mattoni indivisibili (che chiamarono atomi parola greca che significa appunto non divisibile) separati dal vuoto. Aristotele invece sosteneva che "la natura aborre il vuoto" e immaginava che la materia fosse indefinitivamente divisibile in parti sempre più piccole. L'opinione di Aristotele prevalse, e l'ipotesi dell'atomo fu quasi completamente dimenticata per più di duemila anni. Aristotele La teoria della materia secondo Aristotele prevedeva l esistenza di quattro elementi fondamentali e di quattro qualità. Ciascun elemento era caratterizzato da due qualità, così la terra è secca e fredda, l acqua è fredda e umida, l aria è umida e calda ed il fuoco è caldo e secco. Un elemento può cambiare se cambiano le sue qualità. La trasformazione è più facile tra elementi con qualità in comune: la terra (fredda e secca) si trasforma in acqua quando il secco si trasforma in umido. Per più di duemila anni l'idea di Aristotele ebbe la meglio, ma a partire dal diciottesimo secolo gli scienziati, con una serie di scoperte che hanno dato origine alla chimica moderna, hanno dimostrato che tutte le sostanze sono scomponibili in piccolissimi costituenti corpuscolari, troppo piccoli per essere osservati con le tecniche dell'epoca. Seguendo la tradizione greca i chimici chiamarono tali costituenti atomi. Questa denominazione ebbe successo. I vari elementi chimici vennero catalogati in gruppi che mostravano proprietà simili da cui derivò La Tavola Periodica degli Elementi Atomi di silicio al microscopio elettronico Dmitrij Ivanovich Mendeleev Tobolsk 1834 Pietroburgo

3 TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI In seguito i fisici dimostrarono che gli atomi identificati dai chimici erano divisibili. Nelle decadi tra Ottocento e Novecento diversi brillanti esperimenti mostrarono che gli atomi sono composti da un piccolo e denso nucleo centrale di carica elettrica positiva intorno al quale sono in costante moto particelle di carica elettrica negativa chiamati elettroni. Nuclei ed elettroni si combinano in diversi modi, tali da determinare le diverse proprietà chimiche osservate. Per un certo tempo i fisici pensarono che gli elettroni e il nucleo fossero gli atomi dei greci, le particelle elementari di cui tutta la materia è composta. Avevano solo parzialmente ragione. Mentre l'elettrone è ancora oggi ritenuto indivisibile, nuovi esperimenti mostrarono che il nucleo atomico non è una particella fondamentale 3

4 LE DIMENSIONI DELL'ATOMO Per avere una idea del diametro di un atomo dobbiamo prendere un metro dividerlo in un miliardo di volte e poi ancora in dieci parti! Per indicare questa misura si scrive m ( cioè un metro diviso ) atomi di silicio a) ripresi con un microscopio ad effetto tunnel b) ripresi con um microscopio elettronico Le dimensioni dei nuclei sono 10 4 volte più piccole (cioè diecimila volte più piccole) di quelle dell'atomo. Insomma tra i diametri del nucleo e dell atomo c e un rapporto pari a quello fra la capocchia di uno spillo e la cupola della basilica di san Pietro a Roma. 4

5 Se in proporzione il nucleo di un atomo avesse un diametro equivalente al cerchio di centrocampo dello stadio Olimpico in Roma, gli elettroni più vicini si troverebbero ad orbitare ad una distanza che li porterebbe sopra lo stadio di San Siro a Milano E poiché tutto sulla terra è fatto di atomi, ciò significa che il nostro corpo e la sedia su cui siamo seduti, sono composti da una quantità di spazio vuoto, un milione di milioni di volte maggiore dello spazio occupato dalla materia. Aristotele aveva veramente torto: la materia è essenzialmente composta dal vuoto!! L'unica ragione per cui il nostro corpo, e la sedia su cui siamo seduti, ci sembrano cosi solidi e impermeabili, è perché tali quantità infinitesime di materia sono tenute insieme da forze che agiscono come invisibili i ma potentissime molle. La materia è costituita da atomi, composti da un nucleo elettricamente carico positivamente e da elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno. Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica. La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone ed entrambi sono circa 2000 volte più pesanti di un elettrone. 5

6 L ELETTRONE Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un grammo di materia!! La sua massa è infatti: m e = kg Il raggio dell'elettrone è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo inoltre che è privo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole. Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo e - La sua carica elettrica per convenzione è negativa. La carica dell'elettrone q e viene identificata come carica elementare. In questo modo la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare q e. IL PROTONE Il protone è insieme al neutrone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici. Il protone è molto più pesante dell'elettrone, la sua massa è infatti circa 2000 volte quella dell'elettrone. m p = kg Il raggio del protone è r p = 1 fm (1 fm = m) Questa grandezza viene chiamata fermi (fm) dal nome del grande fisico italiano Enrico Fermi ed è spesso usata per le misure atomiche e subatomiche. Per ottenere un fermi dobbiamo dividere un metro in un miliardo di parti poi dividere quanto ottenuto in un milione di parti!! Comunemente il protone viene abbreviato con il simbolo p. La carica elettrica del protone è uguale a quella dell'elettrone ma ha segno opposto, cioè è positiva: qp = + e 6

7 IL NEUTRONE Il neutrone è insieme al protone, uno dei 2 costituenti dei nuclei atomici. Il neutrone ha massa dello stesso ordine del protone, la sua massa è infatti circa m n = kg Comunemente il protone viene abbreviato con il simbolo n. Il neutrone non ha carica elettrica Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni che costituiscono il nucleo, quindi un atomo è normalmente elettricamente neutro. numero atomico (il numero dei protoni identico al numero degli elettroni) numero di massa (il numero dei nucleoni, ovvero dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo). Da qui la definizione di elementi leggeri o pesanti Un atomo può esistere in natura con un ugual numero atomico ma diverso numero di massa (isotopi) ed hanno le stesse proprietà chimiche (cioè di creare composti, molecole, dalle stesse proprietà). 7

8 TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI Gli atomi esistenti un natura sono circa 90 Gli atomi alla sinistra di questa tavola sono detti metalli ed hanno la proprietà di perdere elettroni diventando ioni positivi. Gli atomi posti alla destra, invece, sono detti non metalli ed hanno la proprietà di acquistare elettroni, cioè di diventare ioni negativi. Gli altri atomi hanno proprietà di perdere od acquistare elettroni in maniera meno netta. Certi atomi si possono addirittura comportare da metalli o da non metalli a seconda dei casi. L'attitudine che hanno gli atomi di acquistare o perdere elettroni fa si che si formino legami elettrici fra gli stessi ed è così che si formano le molecole, i costituenti fondamentali dei composti chimici di cui è fatta la materia. 8

9 Atomo di Bohr La distribuzione degli elettroni intorno al nucleo secondo il modello atomico classico segue lo schema ad orbite: 1 a orbita: 2 elettroni 2 a orbita: 8 elettroni 3 orbita: 18 elettroni Elettroni nei solidi: elettroni di core: quelli nei livelli atomici energeticamente più legati al nucleo; non partecipano al legame chimico tra gli atomi, e quindi la loro condizione resta pressoché inalterata rispetto a quella nel singolo atomo; insieme ai rispettivi atomi, formano il nocciolo ionico che costituisce lo scheletro del cristallo elettroni di valenza: quelli nei livelli atomici energeticamente meno legati al nucleo; partecipano al legame chimico tra gli atomi, e quindi la loro condizione nel solido è molto diversa rispetto a quella nel singolo atomo; sono più o meno localizzati intorno ai rispettivi nuclei a seconda del tipo di solido e da loro dipendono le proprietà elettroniche (e ottiche) del materiale e l energia di coesione 9

10 MODELLO DI ECCITAZIONE DI UN ATOMO PIXE XRF 10

11 IONIZZAZIONE DELL ATOMO X caratteristici Effetto Auger Transizioni elettroniche e righe K Regole di selezione n 0 l = ±1 j = ±1 o 0 Diagramma semplificato delle transizioni dai livelli di energia per alcune radiazioni caratteristiche della serie K 11

12 L K M LA TEORIA MODERNA Nel modello di Bhor era stata introdotta l'ipotesi della quantizzazione, ma per il l'elettrone era una particella classica, che si muove su orbite ben determinate il cui raggio puó essere calcolato in base a semplici considerazioni meccaniche sulle forze in gioco. Le nuove scoperte (il principio di indeterminazione di Heisemberg e la scoperta della doppia natura dell'elettrone da parte di de Broglie) peró imponevano un modo completamente diverso di affrontare il problema, che portó all'elaborazione di una nuova fisica, la meccanica quantistica. Il termine orbitali indica le funzioni che si ottengono come soluzione dell'equazione di Schrodinger, che sono visualizzabili come regioni dello spazio intorno al nucleo, nelle quali é possibile trovare l'elettrone. Si puó dire che gli orbitali hanno varie forme e si protendono lontano dal nucleo in modo diverso, in relazione ai numeri quantici che ne caratterizzano la funzione d'onda. Ogni funzione d'onda, o orbitale, descrive uno stato dell'atomo. 12

13 Le diverse funzioni d'onda di un atomo si denotano indicando i valori dei tre numeri quantici: n, l, m; a ogni terzetto di numeri quantici corrisponde un orbitale ben preciso. IL NUMERO QUANTICO PRINCIPALE n. Questo numero puó assumere valori maggiori o uguali a 1. Ha il ruolo piú importante nel determinare l'energia del dato orbitale. IL NUMERO QUANTICO ANGOLARE l. É un numero legato al valore del momento angolare che l'elettrone ha nel suo moto intorno al nucleo; determina la forma degli orbitali e insieme al numero n, contribuisce a determinare l'energia. IL NUMERO QUANTICO MAGNETICO m. É un numero che determina l'inclinazione del vettore momento angolare dell'elettrone; determina l'orientamento degli orbitali nello spazio. Principio di esclusione: Due elettroni dello stesso atomo non possono avere tutti i numeri quantici uguali. RAGGI X cosa sono? radiazioni elettromagnetiche di energia compresa tra 0.25 e 120 kev 13

14 Scoperta dei RAGGI X: Röntgen 1895 PROPRIETA OSSERVATE: penetrazione nella materia no deviazione ottica o magnetica assorbimento in aria pellicole impressionate Applicazioni in medicina IPOTESI: etere???? RAGGI X PRODUZIONE DEI RAGGI X: tubi raggi X I raggi X sono il risultato dell interazione tra materia ed elettroni accelerati da opportune differenze di potenziale, con perdita di energia da parte di questi ultimi. I meccanismi attraverso i quali l elettrone perde energia si possono riassumere nei seguenti punti : 1. l elettrone eccita un atomo della sostanza colpita spostando un elettrone esterno o interno a seconda della sua energia e solo se l energia dell elettrone accelerato è maggiore (uguale) dell energia di legame dell elettrone atomico. 2. l elettrone collide con il nucleo atomico: in questo caso l elettrone orbita parzialmente intorno al nucleo e perde energia per decelerazione (bremsstrahlung). 14

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16 INTERAZIONE CON LA MATERIA PRODUZIONE RAGGI X CARATTERISTICI 16

17 INTERAZIONE CON LA MATERIA DIFFUSIONE DI COMPTON DIFFUSIONE DI RAYLEIGH SPETTRO XRF Diffusione C P S Emissioni di fluorescenza caratteristica Fe Zn Pb Sr Zr Energy (KeV) C Ag (scattering) R 17

18 spettro di energie conteggi Fe 300 Ca 200 Mo Compton Rb Mo Rayleigh Ti Mn 100 K energia (kev) ED-XRF (Energy Dispersive XRF) rivelatore segnali radiazione caratteristica fascio X campione Applicazioni basate sui RAGGI X MEDICINA ARTE INDUSTRIA 18

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