L'ATOMO E LA SUA STRUTTURA

(di Rosario Testa)



CHE COSE’ L’ ATOMO


L’ atomo e la più piccola parte di un elemento chimico. La parola atomo deriva dal greco atomos cioè indivisibile.

L'atomo era considerato la più piccola porzione di materia che potesse essere concepita, e questa idea prevalse fino a quando la struttura dell'atomo divenne uno degli argomenti principali della ricerca scientifica sperimentale.



LO SVILUPPO DELLA TEORIA ATOMICA


La teoria atomica ricevette una notevole scossa tra gli anni 1500 e il 1600, quando iniziarono i primi studi sperimentali nell’ ambiente della chimica.

Questi esperimenti fecero notare che le sostanze potevano essere suddivise nei loro componenti ultimi, o in componenti semplici, ed essi potevano combinarsi in modo “intimo” per formare composti con caratteristiche completamente diverse. In conclusione si inizio da li a parlare di elemento chimico.



MASSA E DIMENSIONI DELL’ ATOMO


Il riferimento per la scala di pesi o masse atomici fu, per tutta la prima metà del secolo, l'atomo di ossigeno, a cui era assegnato peso atomico 16. All'inizio degli anni Sessanta, le unioni internazionali di chimica e fisica decisero di adottare come nuovo standard l'isotopo più diffuso del carbonio 12, cui venne assegnato peso atomico esattamente uguale a 12; questa scelta si è dimostrata particolarmente appropriata, perché il carbonio 12 viene frequentemente utilizzato per tarare particolari strumenti di misura delle masse atomiche, gli spettrometri di massa.




Particella



Simbolo


Massa

(kg)


Massa

(uma)


Carica elettrica assoluta

(C)


Carica elettrica relativa


Elettrone


e-


9.1095x10-31


1/1837


-1.6 x 10-19


- 1


Protone


P


1.6726x10-27


1


+1.6 x 10-19


+ 1


Neutroni


n


1.6749 x10-27


1


0


0




RADIOATTIVITA’ E PARTICELLE SUBATOMICHE : IL MODELLO THOMSON


Nel 1897 la scoperta dell'elettrone, a opera del fisico britannico Joseph John Thomson, rese evidente che gli atomi sono composti da particelle più piccole. Fu lo stesso Thomson, pochi anni dopo, a proporre un nuovo modello di atomo, nel quale gli elettroni erano disseminati all’interno di una sfera di carica positiva: il modello viene spesso riferito con il nome di plum-pudding, paragonando gli elettroni alle uvette sparse in una torta (la regione di carica positiva).





ESPERIMENTO DI RUTHERFORD: IL MODELLO “PLANETARIO”


La comprensione dei meccanismi di decadimento radioattivo di alcuni elementi permise ai fisici di studiare più intimamente la natura degli atomi. Si scoprì che l'atomo è composto principalmente da uno spazio vuoto, al centro del quale si trova una massa compatta detta “nucleo” di dimensioni pari a circa un decimillesimo del diametro dell'intero atomo. In seguito a esperimenti di diffusione di particelle alfa da parte di atomi di elementi metallici, Rutherford concluse che la massa dell'atomo è concentrata in massima parte nel nucleo, ed intorno ad essi gli ruotano gli elettroni che percorrono orbite ben predefinite. La carica positiva del nucleo viene bilanciata dalla carica negativa portata dagli elettroni, in modo che in condizioni normali, l’ atomo risulti elettricamente neutro.











Figura della struttura

del modello PLANETARIO

di un atomo













SPETTRI ATOMICI DI BOHR

Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr propose un nuovo modello atomico, entrato a far parte dei fondamenti della meccanica quantistica. Secondo Bohr, gli elettroni percorrono orbite stazionarie intorno al nucleo, senza subire variazioni di energia: a ciascuna orbita corrisponde un determinato valore dell'energia dell'elettrone (livello energetico) e si ha emissione di radiazione solo quando l'elettrone effettua una transizione elettronica (un “salto quantico”) fra livelli energetici diversi. In particolare un atomo emette radiazione elettromagnetica se un elettrone si sposta da un livello energetico superiore a uno inferiore, e assorbe radiazione nel caso contrario.









DUALLISMO ONDA-CORPUSCOLO: IL MODELLO DI SCHODINGER



Quando il fisico francese Louis De Broglie suggerì che in alcuni fenomeni le particelle possono mostrare un comportamento simile a quello delle onde, Erwin Schrödinger ebbe l’idea di associare anche agli elettroni atomici un moto ondulatorio intorno al nucleo. Solo le onde che permettevano determinate configurazioni stazionarie erano percorse dagli elettroni: questo spiegava le regole di selezione per i “salti quantici”.







Struttura

atomica dell’ atomo con e- a forma

ondulatoria









LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA

La disposizione degli elettroni nei livelli energetici è detta configurazione elettronica dell'atomo. Il numero totale degli elettroni è uguale al numero atomico dell'atomo. I “gusci elettronici” vengono riempiti in modo regolare, dal primo livello fino al settimo, e ciascuno di essi può contenere un numero massimo definito di elettroni. Il primo livello è completo quando contiene due elettroni, il secondo può contenere otto elettroni, il terzo diciotto, e così via. Il settimo livello non è completo in alcuno degli elementi esistenti in natura. Il comportamento chimico di un atomo è determinato dal numero degli elettroni più esterni, ossia appartenenti al livello energetico più distante dal nucleo. I gas nobili (elio, neon, argo, cripto, xeno e rado) hanno il livello energetico più esterno completamente occupato, e ciò spiega il caratteristico comportamento chimico di questi elementi, che sono appunto classificati anche come "gas inerti": in natura non reagiscono con alcun altro elemento, sebbene in laboratorio siano recentemente stati sintetizzati alcuni fluoruri di cripto, xeno e rado. Il livello più esterno degli atomi dei metalli alcalini (ad esempio litio, sodio e potassio) contiene invece un solo elettrone, che viene facilmente "ceduto" a un altro atomo, formando un gran numero di composti chimici. Il metallo alcalino infatti, perdendo un elettrone, acquista stabilità, in quanto trasforma il suo livello energetico più esterno in uno completamente occupato. Un comportamento in un certo senso speculare caratterizza gli alogeni (ad esempio fluoro, cloro, bromo e iodio), il cui livello energetico esterno può venire completato con l'annessione di un elettrone: questo giustifica l'alta reattività di tali elementi, che tendono a combinarsi.