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Antonello Santini » 11.Cenni sui modelli atomici


Cenni sui modelli atomici


L’atomo di Leucippo e Democrito

La parola atomo venne introdotta dai filosofi Leucippo e Democrito (V-IV sec. a.C.) per indicare qualcosa di indivisibile, ma la fisica moderna ha dimostrato che l’atomo è divisibile ed è composto da particelle subatomiche (elettroni, protoni e neutroni).

In figura è rappresentato il microscopio a emissione di campo o microscopio ionico, si tratta della prima macchina che abbia prodotto nel 1970-71, microfotografie di atomi.


Modello atomico di Thomson

Studiando gli effetti delle scariche elettriche attraverso gas rarefatti in un tubo catodico, J.J.Thomson (1898) dopo aver scoperto l’esistenza degli elettroni, propose il primo modello atomico: l’atomo come una sfera carica positivamente in cui erano uniformemente dispersi elettroni in numero tale da bilanciarne la carica, risultava così elettricamente neutro. I valori della carica e della massa degli elettroni, pari rispettivamente a 1,602·10-19 coulomb e a 9,109·10-28g, vennero calcolati da R.A. Millikan (1909).

Modello atomico di Thomson

I tubi di scarica contengono gas rarefatti e due lamine metalliche (elettrodi) collegate ad una sorgente di elettricità ad elevato voltaggio.

  • a) I raggi catodici mettono in moto la ruota a pale (hanno natura corpuscolare).
  • b) I raggi catodici vengono attratti dal piatto metallico carico positivamente (hanno carica negativa).
  • c) I raggi canale attraversano il catodo perforato (hanno carica positiva).

Cenni sui modelli atomici


Modello planetario o nucleare di Rutherford

Nel 1910 E. Rutherford dimostrò l’inadeguatezza del modello di Thomson, infatti dedusse che la parte positiva e la massa dell’atomo dovevano essere concentrate in un piccolo nucleo centrale, mentre la parte negativa era in effetti costituita dagli elettroni, che, disposti intorno al nucleo, occupavano la maggior parte del volume atomico.

Modello atomico di Thomson (a) e di Rutherford (b)

Modello atomico di Thomson (a) e di Rutherford (b)


Modello planetario o nucleare di Rutherford

Rutherford poi suggerì che il nucleo era costituito da protoni, particelle a carica positiva, +1 in unità di carica elettronica, e con massa pari a 1,673·10-24 g e da neutroni, particelle prive di carica elettrica e con massa pari a 1,675·10-24 g.

Ma a causa delle forze repulsive tra le diverse cariche positive, la presenza dei soli protoni nei nuclei avrebbe infatti reso problematica la loro stabilità. Dovevano quindi esistere delle particelle in grado di svolgere una funzione stabilizzatrice ed è solo nel 1932 che J. Chadwick dimostrò anche sperimentalmente l’esistenza dei neutroni.

Modello planetario o nucleare di Rutherford


Modello atomico quantistico di Bohr

Il modello atomico planetario di Rutherford si rivelò ben presto inadeguato, per vari motivi ma principalmente non spiegava perché gli elettroni nel ruotare attorno al nucleo in costante accelerazione centripeta perdendo energia ed attratti dalla carica positiva dei protoni, non finissero per precipitare nel nucleo.

Come da immagine:

  • la forza elettrostatica che trattiene l’elettrone all’interno dell’atomo è controbilanciata dalla forza centrifuga, collegata al suo mivimento su un’orbita circolare (in figura a sinistra).
  • l’accelerazione collegata al moto circolare dovrebbe far perdere progressivamente energia all’elettrone determinandone la “caduta” sul nucleo (in figura a destra).

Modello atomico quantistico di Bohr

Nel 1913, il chimico danese N. Bohr perfezionò il modello di Rutherford ipotizzando che gli elettroni non erano disposti intorno al nucleo in modo casuale, ma percorrevano orbite circolari, concentriche, di diametro ben determinato, stazionarie e corrispondenti a definiti livelli quantizzati di energia.

L’energia degli elettroni non è continua, ma quantizzata

L'energia degli elettroni non è continua, ma quantizzata


Modello atomico quantistico di Bohr

  • Il modello di Bohr a scala di energia quantizzata, spiega il comportamento dell’atomo di idrogeno che contiene un solo elettrone ma inadeguato per atomi più complessi contenenti più elettroni in grado di influenzarsi a vicenda.
  • Nel 1916 il modello di Bohr venne perfezionato dal fisico tedesco A. J. W. Sommerfeld che spiegò la struttura fine delle righe spettrali affermando che le orbite erano sia circolari che ellittiche, e che la loro forma era definita dal numero quantico secondario l.

Modello atomico quantistico di Bohr


Modello atomico quantistico di Bohr


Modello atomico quantistico di Bohr

  • Le orbite modificavano il loro orientamento in presenza di un campo magnetico esterno assumendo orientamenti preferenziali, identificati dal numero quantico magnetico m.
  • Nel 1924 fu introdotto dal fisico tedesco W. Pauli il numero quantico di spin s, per indicare il senso di rotazione dell’elettrone.
Assorbimento ed emissione di energia

Assorbimento ed emissione di energia


Cenni sui modelli atomici.

Modello atomico quantistico-ondulatorio o quanto-meccanico.

La teoria di Bohr-Sommerfeld si rivelò inadeguata e nel 1924 il fisico francese L. De Broglie ipotizzò che agli elettroni si poteva attribuire una duplice natura ondulatoria e corpuscolare. L’ipotesi indicava che ad una particella di massa m (espressione della natura corpuscolare) è associabile una lunghezza d’onda λ (espressione della natura ondulatoria) secondo la relazione:

λ = h / m · ν

dove ν è la velocità della particella e h è la costante di Planck.

Modello atomico quantistico-ondulatorio o quanto-meccanico


Modello atomico quantistico-ondulatorio o quanto-meccanico

Nel 1927 il fisico tedesco W. Heisenberg enunciò il Principio di indeterminazione secondo cui non è possibile conoscere contemporaneamente e con la stessa precisione alcune coppie di grandezze fisiche: tra queste velocità e posizione dell’elettrone.

Escludendo così la possibilità di attribuire all’elettrone orbite definite come quelle del modello di Bohr, ammettendo invece la possibilità di delimitare una regione di spazio intorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l’elettrone.

Modello atomico quantistico-ondulatorio o quanto-meccanico

Negli stessi anni il fisico austriaco E. Schrodinger, approfondendo l’ipotesi di De Broglie, formulò un’espressione matematica, l’Equazione d’onda o di Schrodinger la cui soluzione permette di rappresentare l’elettrone come una nube di carica negativa la cui densità varia in funzione della distanza dal nucleo e della direzione considerata.


Cenni sui modelli atomici

In sintesi

  • Il modello atomico attuale è quindi il risultato di molteplici studi e sperimentazioni che considerano l’atomo costituito da un nucleo, circondato da una nuvola di elettroni (e), a carica negativa, disposti su orbitali. Il nucleo è costituito da protoni (p) e neutroni (n), rispettivamente a carica positiva e neutra.

L’atomo nel suo complesso risulta elettricamente neutro, perché anche se protoni ed elettroni sono portatori di carica elettrica, queste sono della stessa entità, ma di segno opposto; infatti in un atomo il numero dei protoni è sempre uguale al numero degli elettroni.

Cenni sui modelli atomici


In sintesi


In sintesi


Immagine Computerizzata dell’atomo


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