I MODELLI ATOMICI John Dalton 1808 Joseph John

I MODELLI ATOMICI • • John Dalton (1808) Joseph John THOMSON (1903) Ernest RUTHERFORD (1911) Niels Henrik BOHR (1913)

Perché è importante conoscere la struttura dell’atomo? Per comprendere e prevedere le proprietà chimiche degli elementi Come è possibile ottenere informazioni sulla struttura atomica? In base al comportamento macroscopico della materia

Modello di J. Dalton (1808) § la materia costituita da particelle piccolissime indivisibili = ATOMI (Democrito 400 a. C. ); § gli atomi di uno stesso elemento sono uguali; § gli atomi di elementi diversi, hanno massa e proprietà diverse; § Le trasformazioni chimiche avvengono tra atomi interi; § Atomi diversi possono combinarsi tra loro in rapporti diversi. L’atomo è indivisibile ? NO

SCOPERTA delle PARTICELLE SUBATOMICHE Le particelle fondamentali: ü ELETTRONE: 1897 (Thomson) ü PROTONE: 1900 (Goldstein, Wien, Thomson) ü NEUTRONE: 1932 (Chadwick) MA… ce ne sono molte altre ancora…

ü ü ü Utilizzo di tubi inventati da W. Crookes: tubi di vetro due lamine metalliche (elettrodi) • CATODO è NEGATIVO (-) • ANODO è POSITIVO (+) generatore di elettricità (passaggio di corrente) gas pompa a vuoto (per creare il vuoto o abbassare la pressione del gas)

v v Passaggio di corrente Bagliore caratteristico del tipo di gas Fascio di raggi provenienti dal CATODO A pressione bassissima (10 -6 atm) luminescenza verde sul vetro RAGGI CATODICI

COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Creano ombra Muovono palette

COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Sono deviati verso la piastra positiva

RAGGI CATODICI: caratteristiche ü ombra croce di Malta ü movimento di un mulinello Si propagano in linea retta Sono dotati di una certa massa ü deviazione verso una piastra caricata positivamente Hanno carica elettrica negativa Come vennero chiamati? üNon dipendono dal tipo di metallo costituente il catodo né dal tipo di gas utilizzato

ESPERIMENTO di THOMSON (1897) Thomson: • sottopose raggi catodici a campo elettrico e magnetico • misurò la deviazione che i raggi subivano • determinò così il valore del RAPPORTO tra la carica e la massa delle particelle costituenti i raggi catodici (q/m) q/m = -1, 76· 108 coulomb/grammi • ottenne sempre lo stesso valore indipendentemente dalla natura del catodo e del gas utilizzato sono particelle fondamentali della materia ELETTRONI

Tubo a raggi catodici di Thomson per misurare il rapporto carica/massa dell’elettrone 1 effetto della sola alta tensione (linea retta) 2 effetto del magnete (curvatura verso il basso) 3 effetto di piastre (curvatura verso la piastra positiva)

IL PROTONE La materia in genere è elettricamente neutra IPOTESI Se ci sono particelle elettricamente NEGATIVE ci saranno anche particelle elettricamente POSITIVE!! PROVE SPERIMENTALI RAGGI ANODICI o RAGGI CANALE

E. Goldstein: • utilizzò tubi di scarica con CATODO FORATO • ricoprì le pareti del tubo dietro al catodo con sostanza contenente fosforo • notò che la parete del tubo dietro al catodo diventava fluorescente RAGGI ANODICI

Che cosa succedeva nel tubo di Golstein?

W. Wien e Thomson: • particelle cariche positivamente • misurazione rapporto carica/massa: la massa delle particelle non era costante, ma variava in funzione del gas introdotto • la massa più piccola si trovò nel caso del gas H 2 ( 1836 volte > rispetto alla massa degli elettroni) Particella fondamentale della materia PROTONE dal greco proteios = di primaria importanza

MODELLO ATOMICO di THOMSON (1903) ATOMO = sfera omogenea • massa e carica positiva distribuite uniformemente • corpuscoli di carica negativa in moto inseriti all’interno in modo omogeneo Elettroni: semi ANGURIA uvetta PANETTONE

Studi sulla STRUTTURA ATOMICA influenzati da Scoperta della RADIOATTIVITÀ • Henri Becquerel (1896): ü sali di Uranio erano in grado di impressionare lastre fotografiche -Raggi uranici • Pierre e Marie Curie (1898) ü fenomeno dei raggi uranici riguardava anche altri elementi –Torio ü scoprono un nuovo elemento -Polonio ü dalla pechblenda (minerale dell’Uranio) ottengono un nuovo elemento -Radio radioattività

Individuati 3 tipi di radiazioni RAGGI : particelle di carica 2+ (atomi di elio senza elettroni); attraversano sottilissime lamine metalliche RAGGI : elettroni molto veloci; attraversano sottili lamine di piombo (0, 005 – 0, 3 mm) RAGGI : radiazioni elettromagnetiche; attraversano pareti di piombo di alcuni cm

Esperimento di RUTHERFORD e collaboratori (Hans GEIGER e Ernest MARSDEN) -1911 -

ESPERIMENTO di RUTHERFORD & C. OSSERVAZIONI ü ü ü Gran parte delle particelle attraversava la lamina Alcune particelle venivano deviate Altre rimbalzavano indietro SORPRESA!! “…era quasi altrettanto incredibile di un proiettile di cannone che, sparato contro un foglio di carta, rimbalzasse e tornasse indietro a colpirvi”

COMPORTAMENTO PARTICELLE confronto tra i due modelli THOMSON RUTHERFORD

CONCLUSIONI dell’ ESPERIMENTO di RUTHERFORD e collaboratori Ø Atomo non omogeneo Ø Tutta la massa e la carica positiva dell’atomo concentrate in un nocciolo piccolissimo = NUCLEO (diametro 104 – 105 volte più piccolo dell’intero atomo) Ø Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo L’ATOMO, PRATICAMENTE, È VUOTO ! NUOVO MODELLO ATOMICO

MODELLO ATOMICO di RUTHERFORD Atomo = SISTEMA “PLANETARIO” Nucleo = SOLE Elettroni = PIANETI

IL NEUTRONE Ø RUTHERFORD valutò il numero di cariche positive (dalla modalità di deviazione delle particelle ) = n° protoni n°protoni * massa del protone = massa nucleare ½ massa reale ipotesi: esistenza nel nucleo di altre particelle senza carica elettrica ma con una massa simile al protone Ø CHADWICK (1932): bombardamento di berillio con particelle emissione di particelle molto penetranti e non deviate da campi elettrici elettricamente neutre NEUTRONI

Massa relativa Carica elettrica (Coulomb) Elettrone 9, 109· 10 -31 0. 00054 -1, 602· 10 -19 Protone 1, 673· 10 -27 1 +1, 602· 10 -19 +1 Neutrone 1, 675· 10 -27 1 0 0 Massa (Kg) Nucleo: Protoni e Neutroni Esterno: Elettroni Carica relativa -1

PROBLEMI del MODELLO PLANETARIO Le particelle cariche sono sottoposte a Forza coulombiana q 1, q 2: cariche r: distanza e- fermo cade sul nucleo (per la forza attrattiva) e- in movimento • Forza centripeta coulombiana • Forza centrifuga m: massa v: velocità r: distanza

Forze in gioco nel modello atomico di Rutherford

Secondo le leggi dell’elettromagnetismo l’e-, muovendosi lungo orbite circolari dovrebbe emettere ENERGIA in relazione al quadrato della sua velocità Energia emessa (persa) Rallentamento del moto dell’ e. L’e- non riesce a reagire alla F centripeta Cade sul nucleo

Secondo le leggi della fisica classica newtoniana… gli e- precipiterebbero sul nucleo L’atomo si annullerebbe! Ma… ciò non si verifica!! Come risolvere questo problema? Elaborazione di una nuova Fisica

Altro punto dolente del modello di Rutherford: Non riusciva a spiegare gli spettri di emissione e di assorbimento delle sostanze Cosa sono gli spettri? Bisogna aprire una parentesi sulle ONDE

Che cosa sono le ONDE? Un’onda è una perturbazione che si propaga senza trasporto di materia onde del mare, onde di una corda tesa, onde circolari formate da sasso lanciato in H 20 Le onde (o radiazioni) elettromagnetiche sono formate da oscillazioni dei campi elettrici e magnetici, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell’onda

Lunghezza d’onda: ( ) distanza tra due creste (o valli) consecutive Frequenza: ( ) si misura in Hertz numero di oscillazioni che avvengono nell’unità di tempo (1 secondo) Periodo: (T) È l’inverso della frequenza; è il tempo impiegato per compiere un’oscillazione completa Velocità: (v) rapporto tra e T Ampiezza: (A) altezza di un picco

Onde con diversa e quindi con diversa Onde con stessa , ma diversa A

SPETTRO ELETTROMAGNETICO Insieme delle frequenze (o delle lunghezze d’onda) che può assumere una radiazione elettromagnetica

Scomposizione della LUCE BIANCA nelle sue componenti attraverso un prisma ottico di vetro SONO I COLORI DELL’ARCOBALENO! violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancio, rosso I COLORI sono associati a precisi valori di FREQUENZE nella PORZIONE VISIBILE dello spettro elettromagnetico

• SPETTRO di EMISSIONE • CONTINUO: ü si forma da corpi incandescenti (solidi, liquidi e gas ad alta pressione) ü successione di zone colorate sfumanti con gradualità l’una nell’altra • A RIGHE: ü gas a bassa p, sottoposto ad alta T o a scarica elettrica righe colorate su sfondo nero ü caratteristico per ogni elemento gassoso o reso gassoso identificazione • SPETTRO di ASSORBIMENTO A RIGHE: ü gas tra sorgente di luce e fenditura righe nere su sfondo continuo

Spettro continuo di luce bianca Esempio: SODIO Spettro di EMISSIONE Spettro di ASSORBIMENTO

Gli spettri di emissione si rivelavano composti da righe ben distinte le transizioni di energia di un atomo dovevano avvenire in modo discontinuo secondo quantità discrete e non mediante una variazione graduale e continua (modello di Rutherford)

QUANTIZZAZIONE DELL’ENERGIA (Max PLANCK 1900) ü Si interessò del CORPO NERO (oggetto che emette radiazioni che dipendono solo dalla temperatura alla quale si trova) ü L’energia non è emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite, non frazionabili, discontinue QUANTI o FOTONI üL’ energia di una radiazione è proporzionale alla sua frequenza h= costante di Planck (6, 625· 10 -34 J*s)

BOHR (fisico danese): § Studiò lo spettro di emissione dell’elemento più semplice, l’IDROGENO 4 righe nel visibile (arancio, blu-violetto, violetto) § Utilizzò il concetto di quantizzazione dell’energia introdotto da Planck NUOVO MODELLO ATOMICO

MODELLO ATOMICO di BOHR (1913) Ammette l’inadeguatezza della elettrodinamica classica a descrivere il comportamento dei sistemi atomici. Si basa su 2 postulati I: (sullo stato stazionario) Negli atomi gli elettroni non irradiano energia perché si muovono lungo orbite circolari ben determinate, ORBITE STAZIONARIE, a ciascuna delle quali corrisponde una definita quantità di energia, LIVELLO ENERGETICO II: (sullo stato eccitato) Si verificano emissioni di energia (rad. elettromagnetiche) solo quando un e- passa da un livello energetico iniziale a uno finale ad energia inferiore

Assorbimento di energia Emissione di energia

Bohr: v calcolò i raggi delle orbite dell’e- dell’idrogeno r = a 0 n 2 dove a 0 = 0, 5291 Å v calcolò energia dell’e. K = costante combinata (massa e carica e-, h) n = numero intero positivo v cercò di estendere il modello ad atomi poli-elettronici v definì il numero massimo di livelli energetici possibili ® 7, indicati con lettere maiuscole (K, L, M, N, O, P, Q)

ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI ENERGIA NELL’ATOMO DI IDROGENO Per n=1 valore di energia più basso (più negativo) prima orbita distanza minima dal nucleo l’e- non cade sul nucleo! Per n>1 (2, 3, 4, …) l’energia aumenta (meno negativa)

Modello atomico di Bohr • Successo previsione frequenza righe spettrali dell’idrogeno (un solo e-) • Fallimento ® non adatto a spiegare il comportamento di atomi con più e- (interazioni) MERITO: Molte nuove idee (numero quantico, livelli discreti di energia, salti quantici tra livelli) importanti per lo sviluppo di una nuova teoria meccanica quantistica

LIVELLI ENERGETICI DELL’ATOMO DI H l In seguito ad opportuna eccitazione di una numerosa popolazione di atomi, i livelli energetici risulteranno statisticamente tutti popolati. Il ritorno graduale al livello fondamentale, anche mediante ritorni a livelli intermedi eccitati, produce lo spettro a righe caratteristico dell'atomo di idrogeno. Con uno spettroscopio ottico sarà possibile vedere solo le righe derivanti dal ritorno al primo livello energetico eccitato (n=2) e che ricadono nel visibile (serie di Balmer).

SERIE SPETTROSCOPICHE DELL’H l Le osservazioni sperimentali erano quanto mai soddisfacenti. La posizione delle righe osservate con la strumentazione allora esistente era perfettamente in accordo con il modello atomico proposto da Bohr. Spettro a righe nella zona visibile per l'idrogeno (serie di Balmer) posto su due righe per motivi di spazio orizzontale

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