La struttura atomica 1

All’interno dell’atomo

Perché la
spazzola riesce
ad attirare
polvere e peli?

All’interno dell’atomo

LA NATURA ELETTRICA DELLA MATERIA

Il termine elettricità deriva da élektron, che in greco significa ambra.
L’ambra, il vetro e altri materiali hanno la proprietà di elettrizzarsi per
strofinio edi attrarre corpi leggeri come piume o pezzetti carta.

L’elettricità
negativa,
indicata con il
segno meno (–),
è assunta
dall’ambra e da
altri materiali
resinosi.

L’elettricità
positiva, indicata
con il segno più
(+), è assunta dal
vetro o da altri
materiali di
natura vetrosa.

All’interno dell’atomo

LE PARTICELLE SUBATOMICHE

• L’esistenza di due tipi di elettricità fece ipotizzare che all’interno della materia

ci siano cariche positive e le cariche negative, in grado di essere trasferite
da un oggetto a un altro.

• Alcuni esperimenti compiuti alla fine del IXX secolo confermarono l’esistenza

di due tipi di particelle elementari con natura elettrica, l’elettrone e il protone,
ai quali si aggiunse una terza particella priva di carica, chiamata neutrone.

• A queste particelle, contenute all’interno dell’atomo, è stato dato il nome di

particelle subatomiche.

All’interno dell’atomo

LA SCOPERTA DEGLI ELETTRONI

Gli elettroni furono identificati da
J.J. Thomson nel 1897.

Egli utilizzò il tubo di Crookes, un
tubo di vetro contenente un gas a
pressioni molto basse, dotato di
due piastre metalliche
elettricamente cariche, gli
elettrodi, collegate con il polo
positivo, l’anodo, e con il polo
negativo, il catodo, da un
generatore di corrente.

All’interno dell’atomo

L’ESPERIMENTO DI THOMSON

Quando la differenza di potenziale tra gli
elettrodi è molto elevata e la pressione
interna molto bassa, sono emessi raggi
catodici che si dirigono dal catodo
verso l’anodo generando una tenue
luminosità.

Fatti passare tra due piastre cariche, i
raggi catodici sono attratti verso la
piastra positiva.

I raggi catodici hanno natura
corpuscolare, in quanto solo delle
particelle possono muovere un mulinello
a pale posto lungo la traiettoria dei
raggi.

All’interno dell’atomo

GLI ELETTRONI

Gli elettroni sono particelle dotate della più piccola carica elettrica
negativa presenti negli atomi.

• L’elettrone ha una massa di 9,110–31 kg e una carica elettrica pari a
• –1,6 . 10–19 C (coulomb).

• La carica dell’elettrone è la più piccola osservata in natura e per

questo è detta anche carica elementare, con simbolo e–.

• L’elettrone che ha una carica relativa di –1.

• Gli elettroni sono le particelle dell’atomo da cui dipendono le

proprietà̀ chimiche degli elementi.

All’interno dell’atomo

LA SCOPERTA DEI PROTONI

I protoni furono identificati dal fisico Eugen Goldstein utilizzando un tubo
di Crookes modicato, dotato di un catodo forato.

Con differenze di potenziale
sufficientemente elevate si osserva
una tenue luminosità su uno schermo
fluorescente posto dietro il catodo.
Tali radiazioni sono raggi anodici o
raggi canale.

Il fenomeno si spiega ipotizzando che
gli atomi del gas all’interno del tubo,
a causa degli urti subiti dagli elettroni
emessi dal catodo, emettano a loro
volta elettroni, trasformandosi in ioni
positivi.

All’interno dell’atomo

LA SCOPERTA DEI PROTONI

Wilhelm Wien e J.J. Thomson determinarono che la carica degli ioni
positivi era un multiplo della carica elementare e che la loro massa
corrispondeva alla massa degli atomi utilizzati nell’esperienza.

Utilizzando idrogeno gassoso si formavano le particelle positive con la
massa più piccola: ognuna di esse corrispondeva a una particella unitaria
di carica positiva, e per questa ragione sono state chiamate protoni.

All’interno dell’atomo

I PROTONI

I protoni sono particelle dotate della più piccola carica elettrica
positiva presenti negli atomi.

• Il protone ha una massa di 1,673 10–27 kg, 1836 volte più grande di quella

dell’elettrone.

• La carica elettrica del protone corrisponde a quella dell’elettrone, ma è di

segno opposto. Al protone, indicato con il simbolo p+, è attribuito il valore
di carica relativa +1.

• Un atomo il cui numero di elettroni è uguale al numero di protoni risulta

elettricamente neutro.

All’interno dell’atomo

LA SCOPERTA DEI NEUTRONI

I neutroni furono scoperto da James Chadwick nel 1932.

Gli atomi degli elementi, bombardati con particelle α, emettono
particelle che si propagano a ventaglio, senza risentire né della
presenza di cariche elettriche né di magneti.

Queste particelle hanno tutte la stessa massa, indipendentemente dal
materiale usato, e sono prive di carica elettrica, cioè neutre. Per questo
sono state chiamate neutroni.

All’interno dell’atomo

I NEUTRONI

Il neutrone è identificato con il simbolo n.
La sua massa è di 1,675 10–27 kg.

I neutroni sono particelle con massa approssimativamente uguale a quella
dei protoni, ma privi di carica.

I neutroni, come gli elettroni e i protoni, sono uguali tra loro
indipendentemente dagli atomi di appartenenza.

All’interno dell’atomo

Come possono disporsi le
particelle subatomiche all’interno
di un atomo?

All’interno dell’atomo

IL MODELLO ATOMICO DI THOMSON

Il modello atomico proposto da
Thomson nel 1903 rappresentava
l’atomo come una sfera con la carica
positiva distribuita omogeneamente e
gli elettroni disseminati all’interno,
senza una posizione spaziale ben
definita.

All’interno dell’atomo

IL MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD

Gli atomi di una sottilissima
lamina d’oro sono
bombardati con particelle α.

In seguito all’urto con gli
atomi di oro, le particelle α
sono raccolte su uno
schermo fluorescente in
grado di mettere in
evidenza la loro presenza.

Il modello di Thomson, viene messo in discussione dagli
esperimenti realizzati da Ernest Rutherford.

All’interno dell’atomo

L’ATOMO NUCLEARE

La maggior parte delle particelle passa indisturbata attraverso la lamina
di oro, ma alcune sono deviate e altre respinte all’indietro.

Rutherford ipotizza che l’atomo sia
costituito per la maggior parte da
spazio vuoto. Gli elettroni ruotano
attorno a un centro dove si trova il
nucleo atomico –estremamente
piccolo rispetto alle dimensioni
dell’atomo – che contiene ii protoni.

Il diametro dell’atomo calcolato da
Rutherford è dell’ordine di 10–10 m,
centomila volte più grande di quello
del nucleo, che è circa di 10–15 m.

All’interno dell’atomo

LE CARATTERISTICHE DELL’ATOMO

L’atomo può essere considerato come l’unità più piccola e indivisibile di un
elemento di cui conserva le caratteristiche chimiche, che dipendono dal
numero di elettroni e protoni in esso contenuti.

• Ciascuna specie atomica è caratterizzata dal numero atomico

dell’elemento, indicato con la lettera Z, che indica il numero di
protoni contenuti nel suo nucleo.

• Poiché l’atomo è elettricamente neutro, il numero Z corrisponde

anche al numero di elettroni.

• Oltre ai protoni, nel nucleo sono presenti anche i neutroni che hanno

massa uguale a quella dei protoni; il numero totale di protoni e
neutroni, detti nucleoni, costituisce il numero di massa, indicato
con A.

All’interno dell’atomo

IL NUMERO DI MASSA

Per calcolare il numero di massa di un nucleo, occorre sommare il
numero di neutroni (N) al numero dei protoni (che corrisponde al
numero atomico Z):

A = Z+ N

Il numero di massa, A, è il numero totale di protoni e neutroni
(nucleoni) presenti nel nucleo di un atomo.

All’interno dell’atomo

GLI ISOTOPI

Gli isotopi di uno stesso elemento sono atomi che hanno lo stesso
numero di protoni e di elettroni, ma diverso numero di neutroni.

• Gli isotopi di uno stesso elemento possiedono lo stesso numero

atomico Z e quindi lo stesso numero di protoni ed elettroni.

• Le proprietà chimiche degli isotopi sono identiche, ma possono

differire per le loro proprietà̀ fisiche.

• Gli isotopi sono rappresentati dallo stesso simbolo dell’elemento.

All’interno dell’atomo

IL DECADIMENTO RADIOATTIVO

Il nucleo di un elemento è stabile quando il rapporto il rapporto neutroni/protoni è
vicino a 1.

Il nucleo di un elemento è instabile quando il rapporto neutroni/protoni è molto
elevato (> 1) o troppo basso (< 1)

Un nucleo instabile tende a stabilizzarsi espellendo alcuni suoi frammenti sotto
forma di radiazioni e trasformandosi nel nucleo di un altro elemento.

Se il nucleo che si forma è ancora instabile, emette altre radiazioni fino a quando si
forma nucleo stabile.

Questo fenomeno è chiamato decadimento radioattivo.

All’interno dell’atomo

I TIPI DI RADIAZIONI

Le radiazioni α
Sono costituite da nuclei di elio (He2+) dotati di due cariche positive. Hanno massa
pari a 4 u perché formate da da due protoni e due neutroni. Le particelle α non
sono penetranti e sono poco pericolose.

Le radiazioni β
Sono costituite dagli elettroni emessi quando un neutrone si trasforma in protone.
La loro massa è molto piccola: le radiazioni β riescono a penetrare attraverso la
pelle, ma sono fermate da sottili strati metallici.

Le radiazioni γ
Sono prive di carica e di massa. Sono radiazioni con elevata energia e molto
penetranti e possono essere bloccate solo da pareti di spessore elevato.

All’interno dell’atomo

IL TEMPO DI DECADIMENTO

Misurando il tempo impiegato da un isotopo radioattivo per trasformare metà della
sua quantità iniziale di nuclei radioattivi si stabilisce il tempo di dimezzamento o
emivita (t1/2), che è una proprietà caratteristica di ogni specie radioattiva

Alcuni isotopi radioattivi hanno un tempo di dimezzamento dell’ordine
di miliardi di anni, altri hanno un tempo di dimezzamento dell’ordine di anni,
giorni o addirittura secondi.

Tempo di dimezzamento del 14C = 5730 anni

Tempo di dimezzamento del 129Cs= 32 ore

Il tempo di decadimento è il tempo impiegato da un nucleo instabile per
trasformarsi in un altro nucleo.