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Valitutti, Tifi, Gentile Esploriamo la chimica Seconda edizione di Chimica: molecole in movimento
Capitolo 7 Le particelle dell atomo 1. La natura elettrica della materia 2. Le particelle fondamentali dell atomo 3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford 3
Capitolo 7 Le particelle dell atomo 4. Numero atomico, numero di massa e isotopi 5. I tipi di decadimento radioattivo 6. Fissione e fusione nucleare 4
1. La natura elettrica della materia Il termine elettricità deriva dalla parola elektron che gli antichi Greci utilizzavano per spiegare il fenomeno dell elettrizzazione dell ambra per strofinio con un panno di lana. Fino alla fine del Settecento l elettricità era conosciuta solo la forma di elettricità detta statica. 5
1. La natura elettrica della materia Lo strofinio di qualsiasi oggetto provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può attrarre piccoli oggetti. 6
1. La natura elettrica della materia La carica elettrica può essere positiva o negativa. Cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono. 7
1. La natura elettrica della materia Un corpo è elettricamente neutro quando presenta un uguale numero di cariche positive e negative. Lo strofinio fa migrare da un corpo ad un altro cariche negative chiamate elettroni. Un oggetto elettricamente carico può caricare un altro corpo per induzione. 8
1. La natura elettrica della materia L esperimento di Thomson con i tubi di Crookes ha portato alla scoperta degli elettroni, particelle cariche negativamente che costituiscono le radiazioni definite raggi catodici. 9
1. La natura elettrica della materia La placca negativa fu chiamata catodo (-) e la placca positiva anodo (+). La radiazione proveniente dal catodo produceva una luminosità verdastra in fondo al tubo, dopo aver attraversato il foro della placca positiva. Tali radiazioni furono chiamate raggi catodici. 10
1. La natura elettrica della materia Gli atomi di tutti gli elementi contengono le stesse particelle negative, chiamate elettroni. Furono identificate altre particelle, che si muovevano verso il polo negativo, formando un fascio di raggi anodici. Si trattava quindi di particelle con carica positiva. 11
1. La natura elettrica della materia La particella elementare positiva, che ha la stessa carica dell elettrone e massa molto più grande, fu chiamato protone. 12
2. Le particelle fondamentali dell atomo Gli atomi di tutti gli elementi sono formati da tre particelle fondamentali elettrone: carica negativa, massa pari a 1,6 10-19 C; protone: carica positiva, massa pari a +1,6 10-19 C; neutrone: priva di carica elettrica massa poco superiore a quella del protone. 13
2. Le particelle fondamentali dell atomo Ogni atomo contiene un nucleo, cioè una zona molto piccola e densa in cui sono confinati i protoni e i neutroni: a tali particelle di dà il nome di nucleoni. 14
3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford Rutherford determinò la natura delle particelle α (atomi di elio privi di due elettroni) con le quali poi bombardò una sottilissima lamina d oro. Le particelle α dopo l urto con gli atomi d oro venivano raccolte ed evidenziate su un apposito schermo. 15
3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford 16
3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford Studiando il comportamento delle particelle α, Rutherford poté stabilire che gran parte di esse non subiva deviazioni e attraversava la lamina; alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale; un numero molto esiguo rimbalzava, ma violentemente. 17
3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford propose un nuovo modello di atomo l atomo è composto da un nucleo in cui sono concentrate carica positiva e massa; gli elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo e vi ruotano intorno come pianeti; il numero di elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo. 18
3. I modelli atomici di Thomson e Rutherford 19
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Soffermandoci sul nucleo, cioè sul cuore dell atomo, sappiamo che i nucleoni occupano uno spazio enormemente ridotto rispetto al volume totale dell atomo; l atomo ha una struttura essenzialmente vuota nella quale si muovono gli elettroni. 20
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico (Z). Se l atomo è neutro, questo numero è uguale a quello degli elettroni. 21
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse, perché contengono un diverso numero di neutroni. 22
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n ) contenuti nel nucleo A = Z + n 23
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Conoscendo il numero atomico e il numero di massa di un elemento si può calcolare il numero di neutroni contenuti nel suo nucleo n = A - Z 24
4. Numero atomico, numero di massa e isotopi Gli elementi allo stato naturale e nei composti contengono una miscela dei vari isotopi in percentuali ben determinate e costanti. Le proprietà fisiche osservate per ciascuno di essi sono la media di quelle dei singoli isotopi presenti. Oggi le masse atomiche si determinano attraverso lo spettrometro di massa. 25
5. I tipi di decadimento radioattivo Il numero di protoni e neutroni di un nucleo influenza anche la sua stabilità. Quando i protoni sono in numero troppo elevato (Z > 83), per quanti neutroni mettiamo nel nucleo esso diventa instabile. 26
5. I tipi di decadimento radioattivo Un nucleo instabile tende a liberarsi di particelle; tale processo viene detto decadimento radioattivo. Il processo di emissione di radiazioni è denominato radioattività. 27
5. I tipi di decadimento radioattivo La radioattività è stata scoperta alla fine dell Ottocento da Becquerel, ma è grazie a Rutherford che si è arrivati a definire i diversi tipi di radiazioni raggi αlfa (α), corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4); raggi βeta (β), fasci di elettroni veloci (carica 1, massa 0); raggi γamma (γ), radiazioni elettromagnetiche a grande energia. 28
5. I tipi di decadimento radioattivo 29
5. I tipi di decadimento radioattivo Ci sono quattro tipi di fenomeni radioattivi 1. nuclei troppo ricchi di neutroni decadono, emettendo elettroni veloci (particelle β). L elettrone liberato deriva dalla trasformazione di un neutrone in protone, aumentando il numero atomico; 30
5. I tipi di decadimento radioattivo 2. nuclei con numero atomico superiore a 83 e numero di massa superiore a 220 decadono emettendo particelle α positive (nuclei di elio); 31
5. I tipi di decadimento radioattivo 3. la cattura di elettroni o l emissione di elettroni positivi (β + o positroni) avviene quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto ai neutroni. In tal caso un protone può trasformarsi in neutrone assorbendo l elettrone orbitante; 32
5. I tipi di decadimento radioattivo 4. dopo un emissione, α o β, vengono liberati dal nucleo dei pacchetti di energia, le radiazioni γ. Nell emissione γ rimangono inalterati sia il numero atomico che il numero di massa. 33
5. I tipi di decadimento radioattivo Il tempo di dimezzamento è il tempo occorrente per ridurre alla metà la quantità di un isotopo radioattivo. 34
5. I tipi di decadimento radioattivo Il Carbonio-14 è un isotopo radioattivo. Si forma nell atmosfera per effetto dell urto dei neutroni prodotti dai raggi cosmici con l azoto. Entra nei tessuti di ogni organismo vivente in percentuale costante e cessa di essere assimilato quando l organismo muore. Da quel momento la quantità di 14 C si riduce dimezzandosi ogni 5730 anni. Da qui si può risalire al tempo trascorso dalla morte dell organismo. 35
6. Fissione e fusione nucleare L energia in gioco in una trasformazione nucleare corrisponde alla differenza tra l energia dei nuovi nuclei prodotti e quella dei nuclei reagenti. L energia nucleare è circa un milione di volte superiore all energia di legame. La fissione e la fusione nucleare sono le reazioni nucleari di maggior interesse per la produzione di energia. 36
6. Fissione e fusione nucleare Si ha fissione nucleare quando un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli di massa simile. 37
6. Fissione e fusione nucleare Le reazioni di fissione sono sfruttate nei reattori per produrre energia. 38
6. Fissione e fusione nucleare Nella reazione di fusione nucleare due nuclei leggeri si fondono per dare luogo a uno più pesante. 39