MODELLI ATOMICI
Dai primi modelli alla teoria
moderna
Se numerose evidenze sperimentali avevano permesso di trovare l'esistenza
delle particelle subatomiche, le loro dimensioni, cosí infinitamente piccole,
non permettevano di visualizzarne la disposizione all'interno dell'atomo. Gli
scienziati, pertanto, a pertire dalla fine del XIX secolo sentirono l'esigenza
di ideare dei modelli.
I modelli atomici nacquero, dunque, dall'intuizione di alcuni scienziati di
fronte all'impossibilitá di interpretare in modo semplice i fenomeni complessi.
Inizialmente un modello si basa su un numero limitato di fenomeni, ma quando
ulteriori fenomeni non trovano in esso apprezzabile riscontro, é necessario
perfezionarlo o addirittura sostituirlo con un altro che risulti piú aderente
alla realtá .
LA
TEORIA ATOMICA DI DALTON
Lo studioso inglese J.Dalton all'inizio del XIX secolo, attraverso l'ingegnosa
interpretazione delle leggi fondamentali della chimica a quel tempo note (la
legge della conservazione della massa e la legge delle proporzioni definite),
alle quali aggiunse quella da lui stesso formulata (la legge delle proporzioni
multiple) arrivó alla conclusione che la materia é discontinua cioé formata da perticelle.
Sulla base di queste tre leggi Dalton nel 1803 formuló la prima teoria atomica
della materia. Tale teoria puó essere cosí schematizzata:
o
La materia non é continua, ma é composta da particelle
che non possono essere ulteriormente divisibili né trasformabili, gli atomi;
o
Gli atomi di un particolare elemento sono tutti uguali
tra loro e hanno la stessa massa;
o
Gli atomi di elementi diversi hanno massa e proprietá
differenti;
o
Le reazioni chimiche avvengono tra atomi interi e non
tra frazioni di essi;
o
In una reazione chimica tra due o piú elementi gli
atomi, pur conservando la propria identitá , si conbinano secondo rapporti
definiti dando luogo a composti.
IL
MODELLO ATOMICO DI THOMSON
Nel modello atomico di Thomson, formulato nel 1898, da J.J.Thomson, si
ammetteva che l'atomo, piuttosto che la sferetta solida e compatta ipotizzata
da Dalton, fosse un aggregato di particelle piú semplici. Alla luce dei pochi
dati sperimentali in suo possesso, J.J.Thomson ipotizzó che l'atomo fosse
costituito da una sfera omogenea carica di elettricitá positiva in cui gli elettroni
erano distribuiti in maniera uniforme e senza una disposizione spaziale
particolare.
IL
MODELLO ATOMICO DI RHUTERFORD
Rhuterford ipotizzó che la massa e la carica positiva fossero concentrate in
una parte molto piccola dell'atomo chiamata nucleo, e che gli elettroni si
trovavano nella zona periferica, a grande distanza dal nucleo.
Questa ipotesi nasceva da un'importante esperienza, effettuata da due allievi
di Rutherford. Una lamina sottilissima di metallo veniva bombardata con
particelle alfa veloci; uno schermo rivelatore indicava poi i punti di arrivo
della particelle alfa, permettendo quindi di stabilirne la traiettoria dopo il
passaggio attraverso la lamina.
Se fosse stato valido il modello di Thomson, cioé se l'atomo avesse avuto una
struttura omogenea, la particelle alfa avrebbero dovuto comportarsi tutte nello
stesso modo, perché in qualunque punto avessero colpito la lamina metallica
avrebbero trovato situazioni equivalenti.
In realtá le particelle alfa si comportarono in modo diverso: per la maggior
parte passarono senza subire nessuna deviazione, ma alcune vennero deviate
secondo vari angoli e alcune vennero addirittura respinte. Questo comportamento
spinse Rutherford a formulare la sua ipotesi; le perticelle che non venivano
deviate erano quelle che passavano abbastanza distanti dai nuclei. Quelle che
si avvicinavano ai nuclei venivano deviate per effetto della repulsione
elettrica, visto che sia le particelle che i nuclei sono positivi; tanto piú si
avvicinavano ai nuclei, tanto piú fortemente venivano deviate. Quelle che
andavano direttamente verso i nuclei venivano respinte: queste ultime erano
poche, perché il il nucleo occupa una parte molto piccola rispetto allo spazio
occupato da un atomo e quindi la propabilitá che una particella si dirigesse
proprio contro un nucleo era bassa.
IL
MODELLO ATOMICO DI BOHR
Il nuovo modello di atomo fu proposto da Niels Bohr nel 1913.
Alcuni anni prima Max Planck aveva introdotto un concetto che non faceva parte
della fisica classica, quello di quantizzazione. Se una grandezza é puó
assumere soltanto determinati valori e non altri. Planck aveva dovuto
introdurre questo concetto per spiegare un altro fenomeno che aveva costituito
un rompicapo per i fisici: la radiazione del corpo nero. Bohr pensó che
un'ipotesi analoga potesse permettere di spiegare i fenomeni che riguardano gli
atomi. Il modello di Bohr si basa su alcune ipotesi fondamentali:
o
PRIMA IPOTESI: Nell'atomo gli elettroni ruotano intorno
al nucleo su orbite circolari. Ognuna di queste orbite ha un raggio ben
determinato.
o
SECONDA IPOTESI: Il momento angolare degli elettroni é
quantizzato. Esso puó assumere soltanto certi valori (valori permessi), ma non
puó assumere i valori intermedi fra quelli permessi.
Dopo aver introdotto queste ipotesi, Bohr studia la situazione dell'elettrone
utilizzando le leggi della fisica classica. L'elettrone é soggetto alla forza
di attrazione del nucleo. Questa forza provoca il suo moto di rotazione e
quindi costituiscela forza centripeta. Gli elettroni nelle loro orbite
possiedono una certa quantitá di energia; essi infatti sono in moto, e quindi
hanno energia cinetica; inoltre hanno energia potenziale dovuta all'attrazione
elettrostatica tra elettrone e nucleo.
·
TERZA IPOTESI: Finché un elettrone rimane nella sua
orbita, non emette e non assorbe energia.
Per passare da un'orbita con energia minore a un'orbita con energia maggiore
(cioé da un'orbita piú interna a una piú esterna), l'elettrone deve ricevere
dall'esterno una quantitá di energia corrispondente alla differenza di energia
fra le due orbite; se invece passa da un'orbita con energia maggiore a
un'orbita con energia minore, l'elettrone emette una quantitá di energia pari
alla differenza di energia fra le due orbite. L'energia viene emessa o
assorbita sotto forma di radiazione elettromagnetica. Esiste una relazione
matematica fra i valori di energiadelle orbite di partenza e di arrivo e la frequenza
della radiazioni:
E1-E2 = h v
dove:
E1 é l'energia dell'orbita sulla quale si trovava l'elettrone all'inizio
E2 é l'energia dell'orbita sulla quale si é portato l'elettrone
h é la costante di Planck
v é la frequenza della radiazione emessa o assorbita
L'ipotesi di Bohr sulla struttura dell'atomo spiega quindi perché gli spettri
di emissione degli atomi sono spettri discontinui, a righe: ogni riga
corrisponde a un ben determinato valore di energia, che a sua volta corrisponde
alla differenza di energia fra due orbite.
LA
TEORIA MODERNA
Il principio di indeterminazione di Heisemberg e la scoperta della doppia
natura dell'elettrone da parte di de Broglie indicavano chiaramente una cosa:
non era piú possibile trattare l'elettrone come una particella classica.
Bohr nel suo modello, aveva introdotto l'ipotesi della quantizzazione, ma per
il resto aveva trattato l'elettrone come 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 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 funzioniche 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. 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'oriantamento degli orbitali nello spazio.
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