La struttura dell'atomo (parte prima) Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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1 La struttura dell'atomo (parte prima) Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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3 L'atomismo di di Democrito Basato su due argomenti fondamentali: il primo, l accettazione dell esistenza dello spazio, che contiene in sé sia gli oggetti immobili che quelli in movimento, e perciò può essere sia pieno che completamente vuoto; il secondo che la divisione degli oggetti macroscopici deve avere un limite che si raggiunge quando si separano i componenti ultimi della materia, particelle estremamente piccole, solide, compatte, non ulteriormente divisibili, e perciò chiamate atomi (dal greco àtomos, indivisibile).

4 La concezione di Aristotele Alla concezione atomistica si contrappose quella di Aristotele, per il quale: lo spazio doveva essere pieno di materia per poter trasmettere gli effetti meccanici di movimento da un corpo all altro: dunque la materia doveva avere una struttura continua, potendo essere suddivisa all infinito senza perdere le sue caratteristiche esistevano quattro elementi fondamentali e quattro qualità della materia gli elementi non sono considerati immutabili, ma ciascuno può essere trasformato in qualsiasi altro attraverso il mutamento di una o di tutte e due le qualità

5 Epicuro Il pensiero di Democrito ebbe anche numerosi seguaci, fra i quali Epicuro, che introdusse nella concezione atomistica alcune novità come ad esempio: il peso degli atomi che li porta a cadere verso il basso

6 Nel Medioevo prevale la concezione aristotelica Nel Medioevo, tre le due ipotesi,l'atomistica e quella aristotelica, la seconda dai chimici. Perché: si imponeva per la sua semplicità e completezza l esperienza mostrava che nelle operazioni chimiche una sostanza caratterizzata da una determinata composizione e proprietà si trasformava in un altra di composizione e proprietà diverse da quella di prima, e questo era difficile da giustificare con l'esistenza di particelle che mantenevano immutate le proprie caratteristiche.

7 Nel XVII secolo l'atomismo riscoperto da Gassendi Al principio del XVII secolo le tesi atomistiche acquistarono grande diffusione grazie all attività del filosofo Pierre Gassendi il quale, rifacendosi a Epicuro, sosteneva che: la materia è discontinua e quindi costituita da atomi che possiedono tre proprietà caratteristiche: la forma, il peso, la dimensione, proprietà che variano da atomo ad atomo le proprietà dei corpi sono in rapporto con le forme degli atomi che li costituiscono: ad esempio, corpi dal gusto piccante o amaro sono costituiti da atomi appuntiti, corpi fluidi e dolci da atomi arrotondati

8 R. Boyle rivaluta Gassendi L opera di Gassendi divenne patrimonio della fisica e della chimica nei lavori di R. Boyle e di I. Newton. Boyle, ad esempio, nel suo famoso libro The Sceptical Chymist, espresse l idea che l interazione chimica si realizzasse tra le particelle di ogni elemento, chiamati da lui corpuscoli, e che tutti gli elementi fossero formati da tali particelle.

9 Newton rivaluta Gassendi Newton, dal canto suo, ipotizzò che tutti i corpi macroscopici fossero formati da particelle primordiali tra i quali esistevano pori assolutamente vuoti e che questi atomi fossero minuscole sfere dominate da forze attrattive e repulsive. unendosi tra loro queste particelle formano insiemi di diversa complessità che Newton chiama di primo, secondo.. ultimo ordine le quali alla fine danno forma alle sostanze comuni.

10 Fine XVIII secolo: dall'ipotesi filosofica alla teoria scientifica Ciò fu possibile grazie all integrazione delle osservazioni qualitative dei fenomeni chimici con più accurate misure quantitative delle masse e dei volumi. Queste permisero di osservare le regolarità numeriche nella composizione delle sostanze e nei loro rapporti di reazione.

11 La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (I) J. Dalton effettuò numerosi studi sulle miscele gassose e sulla solubilità dei gas; per spiegare i risultati ottenuti egli riprese il modello particellare, secondo il quale ciascun corpo semplice era costituito da particelle microscopiche differenti. Egli utilizzò il termine atomo di Democrito per indicare le particelle costituenti la materia, ma a differenza di questi, egli aggiunse anche la caratteristica del peso, ritenuta invece poco importante dai filosofi greci.

12 La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (II) Nel 1808, Dalton formulò di una teoria atomica basata su quattro postulati: ogni elemento è composto da particelle estremamente piccole chiamate atomi; tutti gli atomi di un elemento sono identici ma atomi di elementi diversi non possono trasformarsi in atomi di un altro elemento durante una reazione chimica; gli atomi non sono né creati né distrutti e si trasferiscono interi formando nuovi composti; atomi di elementi differenti si possono legare tra di loro secondo rapporti diversi ma sempre mediante numeri semplici e interi.

13 La rivoluzionaria teoria atomistica di Dalton (III) La teoria di Dalton era quindi in grado di spiegare le diverse leggi delle combinazioni chimiche conosciute: come la legge di conservazione della massa di Lavoisier (postulato 3) la legge delle proporzioni definite di Proust (postulato 4) questa teoria servì a Dalton per dedurre la legge delle proporzioni multiple.

14 Guardare dentro l'atomo Alla fine dell ottocento i dati sperimentali che si andavano accumulando suggerivano l idea che l atomo non fosse il costituente ultimo della materia, ma che possedesse una struttura più complessa formata da particelle subatomiche. La scoperta delle particelle che costituiscono l atomo e i tentativi di chiarirne la natura ha permesso di comprendere il comportamento delle sostanze chimiche e di descriverne le proprietà.

15 La scoperta dell'elettrone (I) Gli studi riguardanti le proprietà elettriche delle soluzioni di S.A. Arrhenius e le leggi dell elettrolisi di M. Faraday portarono alla conclusione dell esistenza di unità discrete di elettricità, prima ancora che queste potessero essere effettivamente isolate. La scoperta dell elettrone avvenne grazie ad esperimenti condotti sulla conduzione elettrica attraverso i gas rarefatti, utilizzando un dispositivo ideato da W. Crookes.

16 La scoperta dell'elettrone (II) Nel 1905 R. Millikan con un esperimento riuscì a determinare la carica elettrica dell elettrone, e quindi fu possibile ricavare il valore della sua massa. Questo esperimento, oltre a determinare con grande precisione la carica dell elettrone, è importante perché è la prima prova sperimentale dell esistenza di una carica elettrica elementare e della quantizzazione della carica elettrica di un corpo.

17 La scoperta delle particelle cariche positive Nel 1886 Goldstein, utilizzando un tubo a raggi catodici con catodo forato, rilevò la presenza dietro al catodo di una luminescenza provocata da raggi che provenivano in direzione opposta a quelli catodici (raggi canale). Egli dimostrò che si trattava di particelle positive.

18 Il modello 'a panettone' di Thomson Nel 1904 Thomson propose un modello atomico, detto modello a panettone, nel quale gli elettroni venivano inglobati come canditi in una matrice sferica di carica positiva.

19 Gli studi sulla radioattività portano a un modello atomico più accurato (I) Nel 1898 i coniugi Curie scoprirono il radio, un nuovo elemento che emetteva dei raggi cinquecento più intensi di quelli dell'uranio. Questo elemento era in grado di emettere tre tipi di radiazioni: i raggi alfa, i raggi beta e i raggi gamma.

20 Gli studi sulla radioattività portano a un modello atomico più accurato (II) Il fatto che un atomo, oltre ad espellere elettroni, fosse in grado di emettere anche particelle positive dimostrava che la sua struttura non era uniforme, come supposto da Thomson, ma doveva contenere tali particelle.

21 L'esperimento di Rutherford Nel 1911 Rutherford realizzò un celebre esperimento insieme ai suoi collaboratori H.W. Geiger e E. Marsden, in cui una sottilissima lamina di oro veniva bombardata con raggi alfa emessi da una sorgente radioattiva. L osservazione delle scintillazioni prodotte su uno schermo fluorescente posto dietro alla lamina mostrò risultati sorprendenti e incompatibili con il modello atomico di Thomson.

22 Il 'modello planetario' di Rutherford Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford, elaborò un modello atomico detto modello planetario, secondo il quale l atomo è formato da un nucleo positivo in cui è concentrata la maggior parte della massa, attorno a cui ruotano, a grande distanza, gli elettroni negativi. Questo modello spiegava i dati sperimentali, infatti, poiché le particelle positive alfa nella maggior parte dei casi non incontravano alcun ostacolo, attraversavano la lamina d oro senza subire deviazioni. Nei rari casi in cui le particelle passavano vicino al nucleo positivo subivano deflessioni tanto maggiori quanto più queste si avvicinavano al nucleo.

23 I difetti del 'modello planetario' di Rutherford Il modello è in disaccordo con le leggi dell elettromagnetismo che prevedono per ogni particella carica in moto accelerato la perdita di energia per irraggiamento di onde elettromagnetiche. L atomo presenta proprietà che non possono essere presenti in un sistema planetario. Infatti tutti gli atomi di una stessa sostanza sono uguali e pertanto se l atomo fosse come un sistema solare in miniatura sarebbe improbabile trovare atomi uguali. L insuccesso del modello planetario, risiede nel fatto che l interpretazione dei fenomeni atomici, a causa delle dimensioni infinitamente piccole, richiede un cambiamento radicale dei concetti che stanno alla base della fisica classica.

24 FINE