I primi Modelli Atomici

Fenomeni elettrici

Fin dall'antichità si era scoperto che strofinando un pezzo di ambra (elektron) con un panno di lana, essa era in grado di attirare delle pagliuzze.

In epoca moderna, le esperienze condotte da Faraday nel 1830 sulle soluzioni attraversate da corrente, dimostravano che la materia conteneva cariche elettriche.
Il modello atomico proposto da Dalton non era più sostenibile: l'atomo non era una sfera compatta e indivisibile.

 

Scoperta dell'elettrone

Il fisico W. Crookes ha preso un tubo di vetro all'interno del quale ha inserito un gas. Alle due estremità del tubo erano poste due placche, l'anodo positivo e il catodo negativo. Se il gas veniva attraversato dalla corrente elettrica, non si verificava nulla; tuttavia, se il gas era rarefatto, compariva un fascio luminoso che partiva dal catodo (raggi catodici) per dirigersi verso l'anodo.
Se sulla parte centrale del tubo si ponevano due piastre con carca opposta, si notava che i raggi erano deviati verso la piastra caricata positivamente.
Thomson ne dedusse che i raggi catodici erano delle particelle caricate negativamente, che furono chiamate elettroni. Essi hanno carica -1 e una piccolissima massa pari a 9.11·10-31 kg.

raggi catodici

 

Il modello di Thomson (1904)

Thomson, dopo la scoperta degli elettroni, formulò un modello atomico, detto “a panettone” o ad “anguria”, secondo il  quale l'atomo era costituito da una massa positiva all'interno della quale erano immersi gli elettroni.

modello thomson

 

Scoperta del protone

Utilizzando sempre il tubo di Crookes con un catodo forato, impiegando un'elevata differenza di potenziale, Goldstein scoprì che anche l'anodo emetteva dei raggi (raggi anodici o raggi canale). Essi venivano attirati da una piastra con carica negativa, perciò dovevano essere positivi. Le nuove particelle, chiamate protoni, hanno carica +1 e massa 1.673·10-27 kg.

raggi canale

 

Il modello planetario di Rutherford (1911)

eperienza rutherford

Rutherford, bombardando una sottilissima lamina d'oro con particelle positive α (protoni), grazie ad un rilevatore di queste particelle riuscì a stabilire la corretta disposizione dei componenti all'interno dell'atomo. Infatti, egli si accorse che la maggior parte delle particelle positive passava indenne attraverso la lamina, mentre poche venivano deviate o respinte.
Questo fenomeno poteva essere giustificato ammettendo che l'atomo dovesse essere sostanzialmente vuoto: la gran parte della massa, costituita dai protoni positivi, era concentrata in un piccolissimo nucleo centrale, attorno al quale ruotavano gli elettroni negativi con orbite simili a quelle dei pianeti che girano attorno al Sole. La forza centrifuga dovuta alla rotazione bilanciava l'attrazione delle particelle di carica opposta.
Proprio perché l'atomo è sostanzialmente vuoto permette il passaggio delle particelle α; le poche che intercettano il piccolo nucleo, avente la carica dello stesso segno delle particelle α, sono respinte o deviate.

modello planetario

 

Il modello di Bohr - Sommerfeld (1913)

Poiché l'elettrone è una particella elettricamente carica, quando ruota attorno al nucleo perde energia emettendo radiazione elettromagnetica; questo fa sì che si avvicini progressivamente al nucleo fino a cadervi dentro. Il modello di Rutherford, dunque non poteva essere ammesso.

Bohr, allora, nel 1913 ipotizzò che gli elettroni potessero occupare occupano solo orbite stazionarie (quantizzate), associate ad un definito livello di energia. All'interno di queste orbite l'elettrone non emette onde elettromagnetiche perciò non perde energia. Questo era in accordo con la teoria dei quanti proposta da Planck (vedi oltre).
Le orbite sono tutte circolari e ognuna può contenere un certo numero di elettroni. Il livello non è una circonferenza ma una sfera; esistono 7 livelli (K, L, M, N, O, P, Q) definiti dal numero quantico principale e così l'atomo assume un aspetto a strati o gusci.

modello atomico a gusci

Sommerfeld ha modificato in seguito il modello in quanto il livello non poteva corrispondere all'orbita, ma ogni livello era costituito da più orbite di forma non solo circolare ma anche ellittica, definita dal numero quantico angolare. Il livello è così suddiviso in più sottolivelli a ciascuno dei quali corrisponde un tipo di orbita ben definito.
Poiché posso esistere nello stesso livello orbite ellittiche con uguale forma, ma diverso orientamento, è stato introdotto un terzo numero quantico (numero quantico magnetico).

modello Bohr

 

Scoperta del neutrone

Già Rutherford aveva intuito che il modello di nucleo da lui proposto non poteva essere valido, in quanto i protoni, tutti caricati positivamente, avrebbero dovuto respingersi. Per questo ipotizzò la presenza di altre particelle prive di carica che facevano da schermo ai protoni.
Si era nel frattempo scoperto che alcune sostanze pesanti si mostravano instabili ed emettevano tre tipi di radiazioni: α, ß, γ (vedi sotto). Bombardando una sottile lamina di berillio con raggi α ottenuti dal polonio, Bothe notò che usciva una nuova radiazione che si propagava a ventaglio e non risentiva dell'azione di un campo elettrico o magnetico.
Chadwick nel 1932, utilizzando materiali diversi dal berillio, confermò che si trattava di particelle prive di carica elettrica, chiamate per questo neutroni, con massa 1.675·10-27 kg, appena più grande di quella del protone.

bombardamento berillio

 

Riassumendo in una tabella le caratteristiche delle particelle atomiche, abbiamo:

  Simbolo Raggio (m) Massa (kg) Massa relativa Carica
Protone p+ 1.3·10-15 9.11·10-31 1 +1
Neutrone e- 1.3·10-15 1.675·10-27 1 0
Elettrone n0 10-15 1.673·10-27 1/1836 -1

 

La radioattività naturale

Röntgen nel 1895 scoprì che, se si poneva nel tubo di Crookes una lamina metallica che bloccava i raggi catodici, compariva un terzo tipo di radiazione. Questa non doveva avere natura corpuscolare perché non era deviata né da un campo elettrico, né da un campo magnetico. Non riuscendo a capire la natura delle radiazioni, Röntgen le chiamò raggi X.
Becquerel scoprì casualmente che alcuni minerali di uranio emettevano spontaneamente radiazioni simili ai raggi X.
I coniugi Pierre e Marie Curie scoprirono, agli inizi del Novecento, due nuovi elementi: il polonio e il radio con proprietà simili, ma più forti, dell'uranio.
Mettendo in un contenitore di piombo, con un foro rivolto verso l'alto, un materiale radioattivo, usciva un fascio di radiazioni che si propagava in linea retta. Applicando un campo magnetico si ottenevano 3 fasci distinti, quindi c'erano 3 tipi di radiazioni diverse.

radiazioni

α: si comporta come i raggi canale ed è deviata da una piastra caricata negativamente. I raggi hanno natura particellare, con una massa pari a 4 u e carica 2+ (nuclei di elio), e basso potere penetrante.

ß: simile ai raggi catodici, attraversa la pelle ma è fermata da una sottile lastra metallica. Si tratta di particelle con massa 1/1860 u carica negativa essendo deviate da una piastra positiva. Le particelle ß sono deviate maggiormente rispetto alle α perché più leggere.

γ: simile ai raggi X è fermata solo da grandi spessori di materiale. Le non sono deviati da un campo elettrico, quindi non si tratta di particelle, ma hanno natura ondulatoria.