L ATOMO Di cosa sono fatte le cose? Come si è arrivati a capire gli atomi? Com è fatto un atomo? Quanto è grande un atomo? Che atomi esistono in natura? Perché esistono gli atomi? Risponde (o almeno ci prova) Paolo Montagna Ricercatore in Fisica Nucleare all Università di Pavia Docente di Fisica Medica e Radioattività nei corsi di laurea delle Professioni Sanitarie Tecniche pag.1
Di che cosa sono fatte le cose? Lo scienziato indaga osservando la realtà con una particolare lente di ingrandimento : dal complesso al semplice Ad es. tutti gli edifici sono fatti di mattoni, ferro, legno, cemento, sabbia, acqua Ma di cosa sono fatti i mattoni, il ferro, il legno, il cemento, la sabbia, l acqua? pag.2
L antica storia dell atomo I filosofi greci nel VI-V secolo a.c. fanno le prime ipotesi sulla struttura della materia. Secondo Empedocle, tutte le cose sono composte da 4 elementi: terra, acqua, aria e fuoco. Secondo Democrito, suddividendo la materia in pezzettini sempre più piccoli, prima o poi si deve arrivare ad una particella fondamentale e indivisibile (altrimenti, se si potesse dividere sempre più fino all infinito, le cose si dissolverebbero nel nulla). in greco: à-tomos Anche se questa ipotesi (2300 anni dopo!) si è rivelata sbagliata, contiene un idea esatta fondamentale: per tutte le cose, la struttura più interna della materia è IDENTICA!!! pag.3
Diversi atomi per diverse sostanze Lo studio della struttura della materia riprende solo agli inizi del XIX secolo. Si è ormai affermato il metodo sperimentale di Galileo: sono gli esperimenti a condurre alle teorie, non viceversa! Teoria atomica di Dalton-Avogadro La materia è formata da atomi indivisibili e indistruttibili I diversi elementi hanno atomi diversi tra loro e con masse diverse I composti sono sostanze pure formate da due o più atomi diversi che si combinano in molecole secondo un rapporto definito Le reazioni chimiche avvengono tra molecole e non tra atomi pag.4
Le proprietà chimiche si ripetono periodicamente! Mendeleev 1869: tutte le sostanze possono essere descritte in termini di diverse composizioni di solo poco più di 100 atomi (lui ne conosceva 63, ma ne prevedeva altri poi scoperti), suddivisi in modo che a intervalli regolari (periodici) si presentano elementi con uguali proprietà chimiche! pag.5
Le cariche elettriche e la divisione dell atomo Thomson 1897: i raggi catodici sono costituiti da una particella di carica negativa e massa 2000 volte minore della massa dell atomo di idrogeno: l elettrone. Tubo catodico La materia è elettricamente neutra. Da dove viene l elettrone? L elettrone deve essere contenuto all interno dell atomo. Ma allora nell atomo devono esistere anche delle cariche positive in modo che l atomo nel suo complesso sia neutro! L atomo non è indivisibile: è stato diviso! Modello atomico di Thomson: Un panettone di carica positiva che contiene gli elettroni come uvetta e canditi!. Ma è giusto? Bisogna verificare sperimentalmente pag.6
Il nucleo atomico e gli elettroni orbitali Esperimento di Rutherford (1911): bombardando con particelle alfa (massa dell elio, 4 volte l idrogeno) una lamina d oro, si osserva che in alcuni casi (1 su 20000) le particelle vengono deflesse all indietro, come se rimbalzassero, mentre quasi sempre proseguono in avanti. L atomo di Thomson è sbagliato! Modello planetario di Rutherford: L atomo non è omogeneo: ha un nucleo centrale a carica positiva attorno al quale orbitano gli elettroni attirati dalla forza elettromagnetica pag.7
Il protone e il neutrone Rutherford 1919: scoperta del protone particella a carica positiva e massa 1836 volte superiore all elettrone Modello finale dell atomo di Rutherford: Gli atomi hanno tanti protoni nel nucleo quanti elettroni nelle orbite, in modo che le cariche elettriche positive e negative si compensano. Atomi di elementi diversi hanno diverso numero di protoni e elettroni. Capito tutto? Ancora no! L analisi sperimentale dice che: gli atomi hanno masse doppie o anche più di quel che dovrebbero in base al numero dei protoni i protoni dovrebbero respingersi fortemente per la forza elettromagnetica Ipotesi: nel nucleo c è anche un altra particella, neutra e pesante come il protone, e un altra forza attrattiva, più forte della repulsione elettrica! Chadwick 1932: scoperta del neutrone pag.8
Entriamo nell atomo L atomo quindi è un piccolissimo sistema planetario. Ma quanto è piccolo? Ci serve - ahimé la matematica! Per raggiungere l infinitamente grande e l infinitamente piccolo bisogna saper utilizzare bene le potenze di 10 Per capirlo meglio, facciamo un viaggio prima verso l infinitamente grande e poi verso l infinitamente piccolo grazie alla mia assistente Mah, il mio papà sarà anche un fisico ma non sa nemmeno scaricare un filmato da YouTube!! pag.9
Com è fatto un atomo: masse e dimensioni Z protoni m p = 1.673 10-27 kg carica positiva N neutroni m n = 1.675 10-27 kg carica nulla Z elettroni m e = 9.109 10-31 kg carica negativa R nucleo 10-13 cm R atomo 10-8 cm il nucleo è 100000 volte più piccolo dell atomo! Se l atomo fosse uno stadio di calcio, il nucleo sarebbe il pallone!!! l elettrone è 2000 volte più leggero del protone e del neutrone, che invece sono quasi uguali tra loro! pag.10
Atomi, nuclei, particelle: le loro dimensioni pag.11
Numero atomico e peso atomico atomi 92 elementi naturali, da idrogeno a uranio nucleo (protoni, neutroni) + elettroni dimensioni : raggio 10 8 cm = 0.00000001 cm Z = numero atomico A = numero di massa N = numero di neutroni Peso atomico : Numero di massa: A = Z + N Notazione: A Z X 1 unità di massa atomica (u.m.a.) = 1 dalton = 1.66 10-24 g = 0.00000000000000000000000166 g (circa uguale al peso dell atomo di idrogeno: Z=1) pag.12
Elementi chimici Elementi chimici: atomi con diverso Z naturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92) artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92) pag.13
Gli isotopi e la valle dei nuclei Isotopi: stesso n.protoni Z diverso n.neutroni N (stessa specie chimica, diversa massa) N stabili radioattivi (naturali e artificiali) Stabilità dei nuclei: Nuclei leggeri (Z 20) N = Z Nuclei pesanti (Z > 20) N > Z come si spiega? Z pag.14
Abbondanza isotopica isotopi = elementi con stesso Z e diverso N elemento isotopi Z A N=A Z abbondanza relativa (%) carbonio ossigeno potassio piombo 12 C 13 C 14 C 16 O 17 O 18 O 39 K 40 K 41 K 204 Pb 206 Pb 207 Pb 208 Pb 6 6 6 8 8 8 19 19 19 82 82 82 82 12 13 14 16 17 18 39 40 41 204 206 207 208 6 7 8 8 9 10 20 21 22 122 124 125 126 98.89 1.11 tracce 99.759 0.037 0.204 93.138 0.012 6.800 1.3 26.0 20.7 52.0 peso atomico 12.011 15.9994 39.0983 207.19 pag.15
Ma i protoni non si respingono? Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d 10-15 m). Essi risentono delle forze di: attrazione gravitazionale - 0,00000000000000000000000000000000002 N repulsione elettrostatica + 230 N (un miliardo di miliardi di miliardi di miliardi di volte più forte!)?!? F E F G F G P P F E In base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici. A MENO CHE pag.16
La colla nucleare A MENO CHE All interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forza di attrazione, capace di incollare tra loro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana. Per tenere uniti i protoni sono necessari anche i neutroni! FORZA NUCLEARE FORTE: E sempre attrattiva Si manifesta solo a distanze d 10-15 m Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni... ma ancora non basta a spiegare come sono fatti i nuclei... pag.17
Guardando i nuclei leggeri... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Idrogeno: Z=1 Elio: Z=2 1 1 H 2 1 H 3 1 H Deuterio Trizio instabile! 2 2 He 3 2 He 4 2 He non esiste! He 5 2 instabile! La forza nucleare non basta ancora: ci deve essere un altra forza responsabile dei decadimenti nucleari FORZA NUCLEARE DEBOLE pag.18
Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo? Né troppi, né troppo pochi! N Z La forza nucleare p-p, p-n, n-n è uguale. Quindi aggiungendo neutroni, il nucleo dovrebbe essere sempre più stabile perché la forza forte vince sempre di più la repulsione elettrica. Invece si verifica che gli isotopi naturali hanno un numero di neutroni al massimo pari a una volta e mezza quello dei protoni. Altri nuclei non esistono, o se prodotti decadono spontaneamente dopo un certo tempo, emettendo particelle, o trasformandosi in altre specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli. RADIOATTIVITA pag.19
Le 4 forze fondamentali della natura In natura esistono 4 forze fondamentali: Le prime 2 governano il mondo macroscopico (dall atomo in su) perché agiscono anche a grandissime distanze 1) Gravitazionale Intensità 10-38 =0.000000000000000000000000000000000000001 2) Elettromagnetica Intensità 10-2 =0.01 Le altre 2 governano il mondo microscopico (subatomico) perché agiscono solo a distanze di 10-15 m = 0.000000000000001 m 3) Nucleare forte Intensità 1 4) Nucleare debole Intensità 10-14 =0.00000000000001 ne parliamo magari l anno prossimo.. Grazie a tutti! Ciao!!! pag.20