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»
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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.
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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.
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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.
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1911- il modello nucleare dell’atomo
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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.
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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.
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Lo spettrometro di massa
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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
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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.