Le particelle dell`atomo
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Le particelle dell`atomo
Le particelle dell'atomo Lisa Cordisco Gli argomenti che tratteremo 1. La natura elettrica della materia 2. La scoperta delle proprietà elettriche 3. Le particelle fondamentali dell’atomo 4. La scoperta dell’elettrone 5. L’esperimento di Rutherford 6. Il numero atomico 7. Il numero di massa e gli isotopi 8. Le trasformazioni del nucleo 9. I tipi di decadimento radioattivo 10. Misura, effetti e applicazioni delle radiazioni 11. L’energia nucleare 12. Fissione e fusione nucleare 2 La natura elettrica della materia: le evidenze sperimentali I. Lo strofinio di qualunque materiale provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può attrarre piccoli oggetti. II. III. IV. La carica elettrica può essere positiva o negativa. Cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono. Un corpo è elettricamente neutro quando presenta un uguale numero di cariche positive e negative. 3 La natura elettrica della materia: le evidenze sperimentali La natura elettrica della materia: le evidenze sperimentali I. II. Lo strofinio fa migrare da un corpo ad un altro cariche negative chiamate elettroni. Un oggetto elettricamente carico può caricare un altro corpo per induzione. 5 La natura elettrica della materia: le evidenze sperimentali 1800: Alessandro Volta e l’elettrochimica Grazie all’invenzione della pila di Volta, nell’Ottocento, si comprese che l’elettricità è una corrente lenta capace di provocare trasformazioni chimiche: la decomposizione dell’acqua in idrogeno ed ossigeno. Fine 1800: Berzelius Collegamento fra elettrochimica nascente e teoria atomica di Dalton «Ogni atomo possiede particelle cariche» 6 La scoperta degli elettroni (1897) e L'atomo di Thomson L’esperimento di Thomson con i tubi di Crookes ha portato alla scoperta degli elettroni, "particelle cariche negativamente portatrici di elettricità" che costituiscono le radiazioni definite raggi catodici.lc1 Os Osservazione: il flusso di corrente in un gas rarefatto provoca emissione di luce Diapositiva 7 lc1 Una pompa consentiva di introdurre all’interno dei tubi il gas voluto e di ridurne la pressione fino a valori molto piccoli. Applicando agli elettrodi una differenza di potenziale di alcune migliaia di volt, il gas rarefatto contenuto in un tubo di Crookes emette una luce di colore caratteristico (per esempio, il neon emette una luce di colore giallo-arancio). Quando la pressione diventa assai bassa (circa un milionesimo di atmosfera), il bagliore del gas scompare, ma nella parete del tubo opposta al catodo, ricoperta di un materiale particolare (come il solfuro di zinco), appare una fluorescenza verdastra. Crookes suppose che questo fenomeno fosse causato dalla collisione di raggi invisibili emessi dal catodo, che presero il nome di raggi catodici (quindi i tubi di Crookes sono chiamati anche tubi a raggi catodici). Oltre a possedere le proprietà descritte, i raggi catodici sono deviati da campi magnetici. lisa cordisco; 04/12/2016 La scoperta degli elettroni (1897) e L'atomo di Thomson Thomson riuscì a determinare anche il rapporto carica/massa dell’elettrone, misurando la deviazione che i raggi catodici subivano al variare dell’intensità del campo magnetico. 8 La scoperta degli elettroni (1897) e L'atomo di Thomson Ipotesi delle osservazioni. Quando separati dagli atomi gli elettroni sono tutti uguali fra di loro. Dunque dov’è la vera identità dell’atomo? Cosa distingue un atomo di un elemento dall’atomo di un altro elemento? Fu presto chiaro che all’interno dell’atomo doveva esistere una carica elettrica positiva corrispondente a quella negativa degli elettroni e doveva essere la quasi totalità della massa dell’atomo. 9 Elaborare un modello atomico per interpretare i fatti sperimentali 10 Elaborare un modello atomico per interpretare i fatti sperimentali La carica dell’elettrone 6⋅10 -19 coulomb fu determinata per la prima volta dal fisico statunitense Robert A. Millikan (1868-1953) nel 1909. Ma questo modello non giustificava gli spettri atomici…. 11 Elaborare un modello atomico per interpretare i fatti sperimentali I raggi canale furono denominati anche raggi anodici, perché procedevano in senso contrario ai raggi catodici, ovvero dall’anodo verso il catodo. Poiché risultò che erano attratti da piastre cariche negativamente, si suppose che i raggi anodici fossero costituiti da particelle positive (ioni positivi). Nel 1886 il fisico tedesco Eugen Goldstein (18501930), usando un tubo a raggi catodici con il catodo forato, osservò una debole fluorescenza in un rivelatore posto al di là del catodo. Le particelle dei raggi anodici variavano in massa a seconda del gas utilizzato nel tubo ed era maggiore per i gas con MM maggiore. lc2 lc3 Il fascio degli ioni positivi in un tubo a raggi catodici con il catodo forato Diapositiva 12 lc2 Egli attribuì questo fenomeno a una seconda radiazione, denominata raggi canale, perché attraversava i canali (ossia i fori) praticati nel catodo. I raggi canale furono denominati anche raggi anodici, perché procedevano in senso contrario ai raggi catodici, ovvero dall’anodo verso il catodo. Poiché risultò che erano attratti da piastre cariche negativamente, si suppose che i raggi anodici fossero costituiti da particelle positive (ioni positivi) lisa cordisco; 04/12/2016 lc3 Si ammise che le molecole del gas presente nel tubo, urtate dagli elettroni emessi dal catodo, perdessero elettroni, trasformandosi in ioni positivi. Le particelle dei raggi anodici avevano una massa che variava secondo il gas contenuto nel tubo ed era maggiore per i gas di peso molecolare più alto; lo ione positivo più leggero fu ottenuto con l’idrogeno. Esso fu detto protone ed è uguale a un atomo di idrogeno privato dell’elettrone. lisa cordisco; 04/12/2016 1911- L’atomo di Rutherford e la conferma dell’esistenza del protone 1911- L’atomo di Rutherford Per comprendere la natura degli atomi, essendo ormai chiaro che erano capaci di emettere radiazioni, li si incominciò a bombardare con lc4 particelle radioattive. 14 Diapositiva 14 lc4 Nel 1896 il francese Antoine-Henri Becquerel(1852-1908) notò casualmente che alcuni sali di uranio erano in grado di impressionare le pellicole fotografiche e suppose che ciò fosse dovuto all’emissione spontanea di radiazioni da parte dell’uranio. Nel 1898 i coniugi Curie – Maria Sklodowska (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906) –, con un massacrante lavoro sperimentale, riuscirono a isolare da diverse tonnellate del minerale pechblenda (contenente diossido di uranio) due nuovi elementi: il polonio e il radio, che, come l’uranio, emettevano spontaneamente radiazioni. L’emissione spontanea di radiazioni da parte di alcuni elementi fu chiamata radioattivitàdai due scienziati. Come si scoprì in seguito, esistono in natura altri elementi radioattivi (per esempio il torio e il radon) e altri ancora sono stati preparati artificialmente. Gli elementi radioattivi naturali emettono tre tipi di radiazioni, chiamate raggi alfa, raggi beta e raggi gamma, che differiscono nel comportamento in presenza di un campo elettrico 1 e nel potere penetrante lisa cordisco; 04/12/2016 1911- L’atomo di Rutherford Per comprendere la natura degli atomi, essendo ormai chiaro che erano capaci di emettere radiazioni, li si incominciò a bombardare con particelle radioattive. lc4 1 su 8000 Rutherford determinò la natura delle particelle α (atomi di elio privi di due elettroni) con le quali poi bombardò una sottilissima lamina d’oro: 15 Diapositiva 15 Nel 1896 il francese Antoine-Henri Becquerel(1852-1908) notò casualmente che alcuni sali di uranio erano in grado di impressionare le pellicole fotografiche e suppose che ciò fosse dovuto all’emissione spontanea di radiazioni da parte dell’uranio. Nel 1898 i coniugi Curie – Maria Sklodowska (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906) –, con un massacrante lavoro sperimentale, riuscirono a isolare da diverse tonnellate del minerale pechblenda (contenente diossido di uranio) due nuovi elementi: il polonio e il radio, che, come l’uranio, emettevano spontaneamente radiazioni. L’emissione spontanea di radiazioni da parte di alcuni elementi fu chiamata radioattivitàdai due scienziati. Come si scoprì in seguito, esistono in natura altri elementi radioattivi (per esempio il torio e il radon) e altri ancora sono stati preparati artificialmente. Gli elementi radioattivi naturali emettono tre tipi di radiazioni, chiamate raggi alfa, raggi beta e raggi gamma, che differiscono nel comportamento in presenza di un campo elettrico 1 e nel potere penetrante lc4 lisa cordisco; 04/12/2016 1911- il modello nucleare dell’atomo Studiando il comportamento delle particelle α, Rutherford poté stabilire che: 1. 2. gran parte di esse non subiva deviazioni e attraversa la lamina; alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale; 3. un numero molto esiguo rimbalzava, ma violentemente. 16 1911- il modello nucleare dell’atomo Studiando il comportamento delle particelle α, Rutherford poté stabilire che: 1. 2. gran parte di esse non subiva deviazioni e attraversa la lamina; alcune particelle subivano una deviazione con angolature diverse rispetto alla direzione iniziale; 3. un numero molto esiguo rimbalzava, ma violentemente. 17 1911- il modello nucleare dell’atomo 18 1911- il modello nucleare dell’atomo Sulla base dei risultati sperimentali Rutherford propose un nuovo modello di atomo: • i nucleoni occupano uno spazio enormemente ridotto rispetto al volume totale dell’atomo; • l’atomo è composto da un nocciolo in cui sono concentrate carica positiva e massa; • gli elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo e vi ruotano intorno come pianeti; • il numero di elettroni è tale da bilanciare la carica positiva del nucleo Il nucleo è la parte più significativa dell’atomo e lo identifica! La forza che lega elettroni ruotanti e nucleo è una forza elettrica, che nell'analogia con il sistema planetario, corrisponderebbe alla forza gravitazionale. 1911- le critiche al modello nucleare dell’atomo Le critiche al modello atomico di Rutherford. 1. Applicando all’atomo di Rutherford le leggi classiche della teoria elettromagnetica, si giunse alla conclusione che gli atomi avrebbero dovuto essere sistemi estremamente instabili. Infatti, la fisica tradizionale aveva stabilito che un corpo carico di elettricità e soggetto a un’accelerazione irradia continuamente energia. L’elettrone si trova appunto in questa condizione: ruotando intorno al nucleo dovrebbe irradiare energia e quindi perderla continuamente. Ciò comporterebbe il passaggio a orbite sempre più vicine al nucleo e quindi alla caduta dell’elettrone sul nucleo. 1911- le critiche al modello nucleare dell’atomo Le critiche al modello atomico di Rutherford. 2. Dalla spettroscopia (derivata dalle prime ricerche di Newton) si sapeva che ogni atomo emette spettri caratteristici; in altre parole si era vista la possibilità di radiazioni in frequenze costanti. Ma ciò non sarebbe possibile se l’atomo fosse stato sic et simpliciter quello di Rutherford; infatti, se l’elettrone perdesse costantemente energia fino a cadere nel nucleo dovrebbe emettere tutte le frequenze possibili comprese nel passaggio dal suo livello massimo di energia a quello minimo. Gli spettri, in questo caso, non permetterebbero di identificare i vari tipi di atomi come invece consentono: ogni banda dello spettro corrisponde ad un atomo di un elemento diverso. L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero atomico e la posizione degli elementi nella tavola periodica La carica positiva di ogni atomo è sempre un multiplo dell’unità di carica +: (1919) il protone Poiché nuclei di atomi diversi hanno diversa carica positiva: hanno un diverso numero di protoni. 1913. I numeri atomici vennero misurati da un giovane scienziato inglese, Henry Moseley: «Per l’atomo esiste una grandezza fondamentale che aumenta regolarmente nel passaggio da un elemento a quello più vicino. Questa grandezza può essere solo la carica positiva del nucleo centrale». L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi Il punto della situazione Nel Novecento si è scoperto che l’atomo contiene una zona piccola e densa, il nucleo, in cui si trovano neutroni e protoni (i nucleoni). Gli atomi sono formati da tre particelle fondamentali: • l’elettrone con carica negativa; • il protone con carica positiva; • il neutrone privo di carica. Il neutrone ha una massa 1839 volte superiore a quella dell’elettrone. Neutroni e protoni non sono particelle elementari, ma sono composte da altre particelle: i quark. 26 L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi Attraverso lo spettrografo di massa, nei primi del Novecento, si dimostrò che atomi dello stessso elemento possono presentare massa leggermente diversa: gli isotopi. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse, perché contengono un diverso numero di neutroni. L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi La massa atomica relativa (espressa in u.m.a.) di un elemento che si legge sulla tavola periodica è la media ponderata delle masse dei suoi isotopi, calcolati secondo la loro abbondanza percentuale. Oggi le masse atomiche si determinano attraverso lo spettrometro di massa. 28 Lo spettrometro di massa 29 Lo spettrometro di massa L’evoluzione dell’idea di atomo: il numero di massa e gli isotopi Gli elementi della tavola periodica: alcuni esempi Gli isotopi stabili e la paleoclimatologia Il decadimento radioattivo Alcuni isotopi sono instabili ed emettono spontaneamente una particella del nucleo, trasformandosi nel nucleo di un altro elemento. Il decadimento radioattivo è un processo che trasforma il nucleo dell’atomo di un elemento nel nucleo atomico di un elemento diverso. La radioattività è il processo di emissione di una particella o di una radiazione dal nucleo. In una reazione nucleare, ovvero quando cambia la struttura del nucleo, gli atomi di un elemento cambiano la propria identità. Mentre in una reazione chimica cosa succede all’identità degli atomi che vi prendono parte? Dunque cade un altro assunto della teoria atomica di Dalton 34 Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo La radioattività è stata scoperta alla fine dell’Ottocento da Becquerel, ma è grazie a Rutherford che si è arrivati a definire i diversi tipi di radiazioni: • raggi α, corrispondenti a nuclei di elio (carica 2+, massa 4); • raggi β, fasci di elettroni veloci (carica –1, massa 0); • raggi γ, radiazioni elettromagnetiche a grande energia. Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo Tutti i nuclei con Z > 84 sono instabili, cioè radioattivi. I decadimenti radioattivi sono determinati da instabilità interne dei nuclei, cioè da uno squilibrio tra il numero di protoni e di neutroni o da un’eccesiva abbondanza di entrambi. In ogni decadimento radioattivo si conservano sia il numero dei nucleoni che la carica elettrica totale. Il decadimento radioattivo Nel decadimento α il numero atomico del nucleo di partenza diminuisce di due unità e il suo numero di massa di quattro unità. 2+ Il decadimento α è tipico dei nuclidi con numero elevato sia di protoni che di neutroni. Il decadimento radioattivo Nel decadimento β il numero atomico del nucleo che si forma è superiore di un’unità rispetto al nucleo di partenza, ma rimane inalterato il numero di massa. Il nuovo nuclide si trova spostato di una posizione a destra nella tavola periodica. Il decadimento β è tipico dei nuclei troppo ricchi di neutroni rispetto ai protoni. Il decadimento radioattivo Nell’emissione β+ e nella cattura elettronica il numero atomico del nucleo che decade diminuisce di un’unità rispetto al nucleo di partenza, ma rimane inalterato il numero di massa. Il nuovo nuclide si trova spostato di una posizione a sinistra nella tavola periodica. L’emissione β+ e la cattura elettronica si verificano quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto a quello dei neutroni. Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo Il decadimento radioattivo: serie di disintegrazione radioattiva α β Misura effetti ed applicazioni delle radiazioni nucleari Il contatore Geiger è lo strumento che misura la radioattività. Nel S.I., l’unità di misura di una sostanza radioattiva è il becquerel (Bq) che corrisponde a una disintegrazione al secondo. Misura effetti ed applicazioni delle radiazioni nucleari Misura effetti ed applicazioni delle radiazioni nucleari Le radiazioni trasportano una grande quantità di energia e perciò hanno potere ionizzante: questo può provocare, per esempio, gravi alterazioni nei tessuti corporei. Le radiazioni α provocano danni 20 volte maggiori rispetto alle radiazioni β e γ. Misura effetti ed applicazioni delle radiazioni nucleari Misurando l’emissione β del 14C residuo in un reperto rispetto ad un campione attuale possiamo risalire al numero di dimezzamenti subiti dal radioisotopo e quindi all’età del reperto archeologico. L’energia nucleare L’energia nucleare è l’energia che si dovrebbe spendere (investire) per separare fra loro i nucleoni. La stessa quantità di energia viene ceduta nel processo inverso di aggregazione dei nucleoni. Oggi sappiamo che l’entità di questa energia corrisponde al: difetto di massa. Ovvero la differenza tra la somma delle masse dei nucleoni che si devono aggregare per formare un nucleo e la massa nucleare effettiva. La relazione che calcola l’energia nucleare a partire dal valore di difetto di massa del nucleo, deriva dalla teoria della relatività di Einstein ed è E = m · c2 Ovvero, se un sistema è soggetto a una perdita di massa, deve subire una proporzionale perdita di energia. L’energia nucleare Fissione e fusione nucleare La fissione e la fusione nucleare sono le reazioni nucleari di maggior interesse per la produzione di energia. La fissione nucleare è la divisione di un nucleo instabile in due nuclei più piccoli con liberazione di neutroni e di energia. Fissione e fusione nucleare Le reazioni di fissione sono sfruttate nei reattori per produrre energia. Fissione e fusione nucleare Nella reazione di fusione nucleare due nuclei leggeri si fondono per dare luogo ad uno più pesante.