Modelli atomici

Il modello atomico di Thomson

Nel 1898, J. J. Thomson propose il primo di molti modelli atomici a venire. Egli propose che un atomo ha la forma di una sfera con un raggio di circa 10-10m, dove la carica positiva è distribuita uniformemente. Gli elettroni sono incorporati in questa sfera in modo da dare la disposizione elettrostatica più stabile.

La figura qui sopra non vi ricorda un’anguria tagliata con i semi dentro? Oppure, potete anche pensarlo come un budino con gli elettroni che sono la prugna o l’uvetta nel budino. Pertanto, questo modello viene anche chiamato modello dell’anguria, modello del budino di prugne o modello del budino di uva passa.

Un aspetto importante di questo modello è che presuppone che la massa dell’atomo sia distribuita uniformemente sull’atomo. Il modello atomico di Thomson ebbe successo nello spiegare la neutralità generale dell’atomo. Tuttavia, le sue proposizioni non erano coerenti con i risultati degli esperimenti successivi. Nel 1906, J. J. Thomson ricevette il premio Nobel per la fisica per le sue teorie ed esperimenti sulla conduzione dell’elettricità da parte dei gas.

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Il modello atomico di Rutherford

Il secondo dei modelli atomici fu il contributo di Ernest Rutherford. Per arrivare al loro modello, Rutherford e i suoi studenti – Hans Geiger e Ernest Marsden – eseguirono un esperimento in cui bombardarono con particelle α una lamina d’oro molto sottile. Capiamo questo esperimento.

Esperimento di dispersione di particelle α

Esperimento

In questo esperimento, particelle α ad alta energia provenienti da una fonte radioattiva furono dirette su una sottile lamina d’oro (circa 100 nm di spessore). Uno schermo circolare di solfuro di zinco fluorescente era presente intorno alla sottile lamina d’oro. Un piccolo flash di luce veniva prodotto in un punto dello schermo ogni volta che le particelle α lo colpivano.

Risultati

In base al modello di Thomson, la massa di ogni atomo nella lamina d’oro dovrebbe essere distribuita uniformemente sull’intero atomo. Pertanto, quando le particelle α colpiscono la lamina, ci si aspetta che rallentino e cambino direzione solo di piccoli angoli mentre attraversano la lamina. Tuttavia, i risultati dell’esperimento di Rutherford furono inaspettati –

• La maggior parte delle particelle α passarono indisturbate attraverso la pellicola.
• Un piccolo numero di particelle α furono deviate da piccoli angoli.
• Molto poche particelle α (circa 1 su 20.000) rimbalzarono indietro.

Conclusioni dell’esperimento di diffusione α

In base ai risultati di cui sopra, Rutherford fece le seguenti conclusioni sulla struttura dell’atomo:

• Siccome la maggior parte delle particelle α passò attraverso la pellicola senza essere deflessa, la maggior parte dello spazio nell’atomo è vuoto.
• La deflessione di alcune particelle α cariche positivamente deve essere dovuta all’enorme forza repulsiva. Questo suggerisce che la carica positiva non è diffusa uniformemente in tutto l’atomo come Thomson aveva proposto. La carica positiva deve essere concentrata in un volume molto piccolo per deviare le particelle α cariche positivamente.
• I calcoli di Rutherford mostrano che il volume del nucleo è molto piccolo rispetto al volume totale dell’atomo e il raggio di un atomo è circa 10-10m, mentre quello del nucleo è 10-15m.

Modello nucleare dell’atomo

In base alle sue osservazioni e conclusioni, Rutherford propose il suo modello della struttura dell’atomo. Secondo questo modello –

• La maggior parte della massa dell’atomo e la carica positiva sono densamente concentrate in una regione molto piccola dell’atomo. Rutherford chiamò questa regione il nucleo.
• Gli elettroni circondano il nucleo e si muovono intorno ad esso a velocità molto elevate in percorsi circolari chiamati orbite. Questa disposizione assomiglia anche al sistema solare, dove il nucleo forma il sole e gli elettroni sono i pianeti rotanti. Pertanto, è anche chiamato modello planetario.
• Le forze elettrostatiche di attrazione tengono insieme il nucleo e gli elettroni.

Svantaggi del modello atomico di Rutherford

• Secondo il modello atomico di Rutherford, gli elettroni (pianeti) si muovono intorno al nucleo (sole) in orbite ben definite. Poiché un corpo che si muove in un’orbita deve subire un’accelerazione, gli elettroni, in questo caso, devono essere sotto accelerazione. Secondo la teoria elettromagnetica di Maxwell, le particelle cariche quando vengono accelerate devono emettere radiazioni elettromagnetiche. Pertanto, un elettrone in un’orbita emetterà radiazioni e alla fine l’orbita si ridurrà. Se questo è vero, allora l’elettrone entrerà a spirale nel nucleo. Ma questo non accade. Quindi, il modello di Rutherford non spiega la stabilità dell’atomo.
• Contrariamente, consideriamo che gli elettroni non si muovono e sono fermi. Allora l’attrazione elettrostatica tra gli elettroni e il nucleo denso tirerà gli elettroni nel nucleo per formare una versione in miniatura del modello di Thomson.
• Il modello di Rutherford inoltre non dice nulla sulla distribuzione degli elettroni intorno al nucleo e sulle energie di questi elettroni.

Quindi, i modelli atomici di Thomson e Rutherford hanno rivelato aspetti chiave della struttura dell’atomo ma non hanno affrontato alcuni punti critici. Ora che conosciamo i due modelli atomici, cerchiamo di capire alcuni concetti.

Numero atomico e numero di massa

Come sappiamo ora, una carica positiva sul nucleo è dovuta ai protoni. Inoltre, la carica del protone è uguale ma opposta a quella dell’elettrone. Il numero atomico (Z) è il numero di protoni presenti nel nucleo. Per esempio, il numero di protoni nel sodio è 11 mentre è 1 nell’idrogeno, quindi i numeri atomici del sodio e dell’idrogeno sono 11 e 1, rispettivamente.

Inoltre, per mantenere la neutralità elettrica, il numero di elettroni in un atomo è uguale al numero di protoni (numero atomico, Z). Pertanto, il numero di elettroni nel sodio e nell’idrogeno è 11 e 1, rispettivamente.

Numero atomico = numero di protoni nel nucleo di un atomo

= numero di elettroni in un atomo neutro

La carica positiva sul nucleo è dovuta ai protoni, ma la massa dell’atomo è dovuta a protoni e neutroni. Essi sono conosciuti collettivamente come nucleoni. Il numero di massa (A) dell’atomo è il numero totale di nucleoni.

Numero di massa (A) = il numero di protoni (Z) + il numero di neutroni (n)

Quindi, la composizione di un atomo è rappresentata usando il simbolo dell’elemento (X) con il numero di massa (A) come soprascritto a sinistra e il numero atomico (Z) come sotto-scritto a sinistra – AZX.

Impara il numero atomico in modo più dettagliato qui.

Isobari e isotopi

Gli isobari sono atomi con lo stesso numero di massa ma un numero atomico diverso. Per esempio, 146C e 147N.

Impara gli isobari qui in dettaglio qui.

Gli isotopi, invece, sono atomi con lo stesso numero atomico ma un diverso numero di massa. Questo significa che la differenza tra gli isotopi è dovuta alla presenza di un diverso numero di neutroni nel nucleo. Capiamo questo usando l’idrogeno come esempio –

• Il 99,985% degli atomi di idrogeno contengono un solo protone. Questo isotopo è il prozio (11H).
• L’isotopo contenente un protone e un neutrone è il deuterio (21D).
• L’isotopo con un protone e due neutroni è il trizio (31T). Questo isotopo esiste in tracce sulla terra.

Altri isotopi comuni sono – atomi di carbonio con 6 protoni e 6, 7, o 8 neutroni (126C, 136C, 146C) e atomi di cloro con 17 protoni e 18 o 20 neutroni (3517Cl, 3717Cl).

Nota: Le proprietà chimiche degli atomi sono sotto l’influenza del numero di elettroni, che sono dipendenti dal numero di protoni nel nucleo. Il numero di neutroni ha un effetto molto limitato sulle proprietà chimiche di un elemento. Perciò, tutti gli isotopi di un elemento mostrano lo stesso comportamento chimico.

Impara gli isotopi in modo più dettagliato qui.

Esempi risolti per te

Questione 1: Abbina le colonne:

1. Numero di massa	a. Modello nucleare dell’atomo
2. J.J. Thomson	b. Numero di protoni
3. Rutherford	c. Numero di nucleoni
4. Numero atomico	d. Modello del budino di prugne

Soluzione: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Questione 2: Calcolare il numero di protoni, neutroni ed elettroni in 5626Fe.

Soluzione: In 5626Fe, numero atomico (Z) = 26, numero di massa (A) = 56.

Numero di protoni = numero di elettroni = Z = 26.

Numero di neutroni = A – Z = 56 – 26 = 30.