4 Modelli Atomici E Configurazione Elettronica

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412Modelli atomicie configurazione elettronicaElettroni, protoni e neutroniIl modello atomico nuclearePagine di scienza Stephen Hawking e il modello standard delle particelle elementari3456La radioattivitàIl modello atomico di BohrL’energia di ionizzazioneIl modello atomico a orbitaliAtomi e particellesubatomichedefiniredefinire e distinguereCarica elettricae legge di CoulombElettroni (e –)Protoni (p )associareNeutroni (n)associareNumeroatomico (Z)I modelliatomiciesperimentimodelliRaggi catodiciModello atomicodi ThomsonEsperimentodi RutherfordModello atomiconucleareSpettri atomicie transizionielettronicheModello atomicodi BohrEnergiadi ionizzazioneModello atomicoa orbitali e numeriquanticiNumero di massa (A)individuareGli isotopiIn digitaleSEGUI LA MAPPAdefinirericonoscereRadioattivitàe tempo onica

1Elettroni, protoni e neutroniGli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole e con caratteristichediverse: gli elettroni, i protoni e i neutroniLe cariche elettriche e la legge di CoulombPer approfondire la conoscenza della struttura degli atomi furono decisivi i contributi che vennero dagli studi sulle proprietà elettriche della materia.Fin dall’antichità furono osservati fenomeni elettrici; per esempio, era noto che unmateriale come l’ambra, opportunamente strofinato, attraeva piccoli corpi leggeri( Figura 1). Ma solo a partire dal ventesimo secolo l’elettricità è entrata prepotentemente nella nostra vita: in casa, nei luoghi di lavoro, nei momenti di svago utilizziamo spesso apparecchiature che funzionano grazie all’elettricità.Alla base di tutti i fenomeni elettrici c’è una proprietà della materia che si chiamacarica elettrica. Essa non è di solito immediatamente percepita dai nostri sensi e,diversamente da altre proprietà della materia, presenta due «facce» a cui sono statiattribuiti convenzionalmente termini e simboli molto semplici: carica elettrica positiva ( ) e carica elettrica negativa ( ).Strofinando una bacchetta di plastica oppure di vetro si provoca un trasferimentodi particelle dotate di carica; ciò conferisce temporaneamente ad alcuni materiali(come il vetro) una carica elettrica positiva e ad altri (come la plastica) una caricaelettrica negativa.Ciò che possiamo osservare è che tra corpi dotati di carica elettrica si manifestanoforze di attrazione (cariche opposte) o forze di repulsione (cariche uguali). Si puòanche notare che queste forze elettriche si manifestano a distanza, cioè senza che icorpi vengano a contatto ( Figura 2).Le forze tra cariche elettriche dello stesso tipo (positive o negative) sono repulsive; le forze tra cariche elettriche di tipo contrario sono attrattive.Un contributo fondamentale alle conoscenze sulla carica elettrica venne nella seconda metà del diciottesimo secolo per opera dello scienziato francese C. Coulomb;egli condusse numerosi esperimenti per stabilire la relazione tra le cariche elettrichee le forze che si manifestano tra esse. Coulomb pervenne così a una legge, chiamatain suo onore legge di Coulomb, che è espressa dalla seguente relazione:Figura 1 Pare che l’elettricità sia stata scopertanell’antico Oriente probabilmente quando qualcuno,sfregando un pezzo di ambra, osservò che questomateriale era in grado di attrarre oggetti molto leggeri, come per esempio le piume. – –Figura 2 Avvicinando due pallineelettricamente cariche, queste si attirano o sirespingono, a seconda del segno.Animazione in digitaleLa legge di Coulombcarica in coulomb (C)Q1 á Q2F kd2forza in newton (N)distanza in metri (m)La legge di Coulomb afferma che l’intensità della forza che si manifesta tra duecariche elettriche è direttamente proporzionale alle loro quantità e inversamenteproporzionale al quadrato della distanza che le separa.Nel Sistema Internazionale la grandezza carica elettrica (Q) si misura in coulomb(C). Il valore della costante k che compare nella relazione cambia a seconda del materiale che si interpone tra le cariche e nel vuoto vale 9,0 · 10 9 N · m 2/C 2. Nell’ariasecca il suo valore si può approssimare a quello che è stato determinato nel vuoto.Numerosi dati sperimentali mostrano che particelle dotate di carica elettrica sonopresenti in tutti i corpi, anche in quelli che non si possono elettrizzare per strofinio.Il motivo per cui normalmente i corpi non manifestano gli effetti delle cariche elettriche è dovuto al fatto che la materia contiene una quantità di carica negativa uguale alla quantità di carica positiva e che gli effetti delle cariche opposte si annullanoreciprocamente: di norma ogni corpo è elettricamente neutro.50Capitolo 4Modelli atomici e configurazione elettronicaApprofondimento in digitaleIl fulmineLe interazioni elettriche possono portare afenomeni spettacolariProva tu 1Due cariche elettriche Q 1 –3,5 · 10 –19 C eQ 2 –1,8 · 10 –19 C si trovano alla distanza di1,4 · 10 –10 m.Calcola l’intensità della forza e indica se sitratta di una forza attrattiva o repulsiva.

Gli elettroniI PROTAGONISTI DELLA SCIENZAAlla fine del diciannovesimo secolo gli scienziati cercavano di ottenere in laboratorio maggiori informazioni sulla struttura degli atomi. In particolare il fisico ingleseJ.J. Thomson studiava gli effetti delle scariche elettriche sui gas rarefatti contenutiin particolari tubi di vetro. In questi tubi, chiamati anche tubi catodici, sono inseritidue elettrodi sui quali, per mezzo di un generatore elettrico, vengono accumulatecariche elettriche di segno contrario. Riducendo la pressione del gas a un milionesimo di bar e aumentando la carica elettrica accumulata sugli elettrodi fino a raggiungere valori sufficientemente elevati, Thomson poté verificare che dall’elettrodonegativo (catodo) venivano emessi fasci di particelle che egli chiamò raggi catodici.La presenza di questi raggi veniva evidenziata da una debole luminosità dovutaall’impatto di questi raggi su una parte di tubo ricoperta di solfuro di zinco ( Figura 3).catodo–anodo elevata differenzadi potenziale–piccoladifferenzadi potenzialealla pompada vuotoA seguito anche di altri esperimenti, si è potuto verificare che: le particelle emesse dal catodo hanno carica negativa e la loro massa è sempremolto più piccola della massa dell’atomo più leggero, quello di idrogeno; le caratteristiche delle particelle emesse dal catodo non cambiano anche se sicambia il metallo costituente l’elettrodo oppure il gas contenuto nel tubo.Alle particelle che costituiscono i raggi catodici fu dato il nome di elettroni.Gli elettroni (e ) sono le più piccole particelle con carica elettrica negativa chesono stabilmente presenti in tutti gli atomi.Per questo motivo la carica dell’elettrone è detta anche carica elementare e convenzionalmente vale 1. La carica dell’elettrone secondo l’unità di misura del Sistema Internazionale vale, arrotondata a quattro cifre significative, 1,602 · 10 19 C.JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940)Thomson’s scientific ability wasrecognized early with his appointment asprofessor of physics in the Cavendish Laboratoryat Cambridge University when he was not quite 28years old. Soon after this appointment, Thomsonbegan research on the discharge of electricitythrough gases.This work culminated in 1897 with the discoveryof the electron. Thomson was awarded the NobelPrize in physics in 1906.Figura 3 Disponendo opportunamente altridue elettrodi, si può osservare che i raggi catodicivengono deviati verso l’elettrodo positivo e quindidevono essere costituiti da particelle carichenegativamente.Prova tu 2Una bacchetta di plastica presenta una caricaelettrica Q 1,45 · 10 10 C.Quanti elettroni sono stati trasferiti dal pannodi lana alla bacchetta?PER SAPERNE DI PIÙLa carica dell’elettroneLa carica elettrica dell’elettrone fu determinata per la prima volta dal fisico statunitense R.A.Millikan tra il 1909 e il 1912. Nell’ingegnoso apparato da lui stesso messo a punto, un po’ di olionebulizzato veniva introdotto sopra una piastraprovvista di un forellino: le minutissime gocced’olio che attraversavano il forellino si venivanoa trovare in uno spazio tra due piastre metallichecon carica elettrica di segno contrario. Questospazio veniva fatto attraversare da raggi X, particolari radiazioni in grado di estrarre elettroni dallemolecole di azoto e di ossigeno presenti nell’aria: di conseguenza alcune gocce di olio, colpite aloro volta dagli elettroni, si caricavano con caricaelettrica negativa. La caduta delle gocce causatadalla forza di gravità poteva essere contrastataLezione 1Elettroni, protoni e neutroniattraverso l’azione della forza elettrica creatadalle due placche. Millikan, osservando al microscopio il moto delle gocce e modificando opportunamente l’intensità delle cariche sulle piastre,era in grado di bilanciare esattamente la forza digravità e in questo modo le gocce rimanevanosospese. Conoscendo la quantità di carica sullepiastre e applicando la legge di Coulomb, Millikanriuscì a calcolare la carica elettrica sulla goccia.Ripetendo l’esperimento molte volte trovò chela carica di ogni goccia era sempre – 1,7 · 10 –19 Co un suo multiplo intero. Millikan dedusse che legocce d’olio potevano assorbire uno o più elettroni assumendone quindi la carica corrispondente:il valore più piccolo così trovato doveva perciòcorrispondere alla carica elettrica negativa di unsingolo elettrone.nebulizzatoreanodo sorgentedi raggi Xforzaelettricaforzadi microscopiogoccia d’oliocaricaelettricamente51

I protoniLa materia è di solito elettricamente neutra pertanto è ragionevole pensare che anche gli atomi di cui essa è formata siano neutri; di conseguenza si deve ammettereche negli atomi siano presenti anche particelle con carica elettrica positiva.In effetti la presenza di queste particelle venne rilevata sperimentalmente utilizzando apparecchiature simili ai tubi catodici ( Figura 4): queste particelle costituiscono i cosiddetti raggi canale e sono state individuate immettendo nel tubo uncatodo opportunamente forato.anodoraggi catodici(elettroni) i raggi catodici direttiverso l’anodourtano le particelle di gas,formando particelle positivechiamate raggi canalealla pompa da vuoto–– – i raggi canale, attrattidal catodo, colpisconoil fondo che diventafluorescenteÐcatodoFigura 4generatore di corrente elettricaLa luminosità che compare dietro al catodo forato indica la presenza di particellecon carica positiva. Si è potuto verificare che queste particelle: hanno una massa molto più grande di quella degli elettroni; sono diverse a seconda del tipo di gas presente nel tubo; possiedono una carica positiva che è sempre un multiplo intero del valore dellacarica dell’elettrone.Alla più piccola di queste particelle positive fu dato il nome di protone.I protoni (p ) sono le più piccole particelle con carica elettrica positiva che sonostabilmente presenti in tutti gli atomi.A seguito anche di altri esperimenti, possiamo affermare che: la massa del protone è molto più grande di quella dell’elettrone, ma la carica elettrica positiva del protone ha lo stesso valore di quella negativa dell’elettrone; in ogni atomo il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni: in questomodo l’atomo è elettricamente neutro.I neutroniNel 1932 il fisico inglese J. Chadwick dimostrò che negli atomi è presente anche unaltro tipo di particella, alla quale fu dato il nome di neutrone.I neutroni (n) sono particelle presenti negli atomi, hanno massa quasi uguale aquella dei protoni ma non presentano carica elettrica.Negli atomi sono stati individuati altri tipi di particelle, tuttavia quelle che abbiamo presentato (elettroni, protoni e neutroni) sono le più importanti per il lavorodei chimici. Queste particelle si chiamano particelle subatomiche e sono presentinegli atomi di tutti gli elementi a esclusione dell’idrogeno, i cui atomi non hannoneutroni.Le caratteristiche di queste particelle non dipendono dal tipo di atomo: gli elettroni del ferro sono assolutamente identici a quelli dell’oro; altrettanto si può diredei protoni e dei neutroni.Le principali proprietà delle particelle subatomiche sono riassunte nella Tabella 1.Massa(kg)Carica(u)(C)convenzionaleelettrone (e )9,109 · 10 310,0005486–1,602 · 10 19–1protone (p )1,673 · 10 271,007–1,602 · 10 19 1neutrone (n)1,675 · 101,00952Capitolo 4 270Modelli atomici e configurazione elettronica0Tabella 1 Valori di massa e carica delleparticelle subatomiche, approssimati a quattro cifresignificative.Prova tu 3Determina il numero che esprime di quantevolte la massa del protone è più grande diquella dell’elettrone.

Esercizi 1 Elettroni, protoni e neutroni1La figura mostra come varia la forza elettrica al variaredella distanza nel caso di due corpi con carica elettrica ugualema di segno opposto:d F ––c)3d a)b)F2dF47–d)e)Completa l’immagine aggiungendo le scritte mancanti.2In quale situazione si verifica la forza di repulsione mag-8Calcola il valore della forza nel vuoto tra due caricheuguali (Q 2 C) distanti 3 m.A9 · 10 9 N4 · 10 9 Ngiore?BABCD9EConfrontando le proprietà dei protoni e degli elettroni,indica per ogni affermazione se è vera o falsa.Gli elettroni sono uguali in tutti gli atomi mentre i neutroniVFsono diversi a seconda dell’atomo consideratoLa massa di un protone è molto più grande di quella di un eletFVtroneLa carica elettrica di un protone è di segno opposto a quella diVFun elettroneLa carica elettrica di un elettrone è molto più piccola di quellaVFdi un protoneLa massa degli elettroni è sempre uguale, mentre quella deiVFprotoni può cambiareCD6 · 10 9 N2 · 10 9 NQuale caratteristica peculiare differenzia la carica elettrica da altre proprietà della materia come la massa e il volume?4Associa a ogni descrizione relativa alle particelle subatomiche il numero corrispondente:Hanno la massa minore1) elettroniNon hanno carica elettrica2) protoniHanno carica elettrica positiva3) neutroniHanno massa maggiore dei protoniCostituiscono i raggi catodicia)b)c)d)e)5ABCDEIn relazione alla forza che si crea tra due cariche elettriche indica l’unica affermazione sbagliata:è proporzionale al valore delle cariche stessedipende dal materiale interposto tra le caricheè inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra lecarichenon dipende dalla massa dei corpi carichiè attrattiva o repulsiva a seconda della distanza tra le cariche6In relazione alle esperienze effettuate con i tubi catodici,indica per ogni affermazione se è vera o falsa.a) I raggi emessi dal catodo sono particelle che possiedono caricaVFelettricab) L’intensità della carica delle particelle emesse dal catodo nonVFdipende dal metallo impiegatoc) Le particelle di carica positiva vengono emesse dall’anodoVFd) La massa delle particelle di carica positiva non dipende dal tipoVFdi gas presente nel tuboe) La carica delle particelle emesse dal catodo dipende dal tipo diVFgasLezione 1Elettroni, protoni e neutroni12 · 10 9 NConsidera le due sfere rappresentate in figura:Q 3,7 · 10 8 C3EQ 5,3 · 10 7 Cd 0,012 ma) Tra le due sfere si ha una forza di attrazione o di repulsione?b) Qual è l’intensità della forza?10Determina a quale distanza due cariche elettriche, divalore Q 1 2,5 · 10 –5 C e Q 2 –6,4 · 10 –6 C, si attraggono conuna forza di 11 N.11Determina il valore di una carica elettrica che, posta auna distanza di 1,2 cm da una carica uguale, la respinge con unaforza F 6,5 · 10 –2 N.12Tra due cariche Q 1 e Q 2 poste a una certa distanza si manifesta una forza attrattiva con intensità F. Se si raddoppia siala quantità di entrambe le cariche sia la distanza tra esse, comecambia l’intensità di F ?13As a glass rod is rubbed lightly with a silk cloth, the glassrod acquires a positive charge. In this process, the silk cloth:acquires a positive chargedoes not acquire a chargeacquires a negative chargeYou cannot tell from the information givenABCD14ABCAn electric force of 12 N exists between 2 electric charges. Ifone of the charges is doubled, the force will become:6ND 24 N3NE 48 N12 N53

2Il modello atomico nucleareIl modello atomico nucleare spiega la disposizione delle particellesubatomiche e lÕidentitˆ chimica degli atomiL’esperimento di Rutherford e il modello atomico nucleareAll’inizio del 1900 gli scienziati non disponevano ancora di un modello convalidato da solide prove sperimentali che descrivesse la collocazione reciproca delle cariche presenti nell’atomo. A seguito dei suoi esperimenti con i tubi a raggi catodici,Thomson propose uno dei primi modelli atomici: il modello di Thomson descrivel’atomo come una specie di nuvola sferica in cui è diffusa la carica positiva con corpuscoli di carica negativa immersi in essa in modo casuale e in numero tale da farrisultare l’atomo elettricamente neutro.Il modello di Thomson fu ben presto abbandonato a seguito di un esperimentocompiuto in un laboratorio dell’università di Cambridge, in Gran Bretagna, dalloscienziato neozelandese E. Rutherford nel 1911. In particolare i suoi collaboratori (ilchimico tedesco H. Geiger e il fisico australiano E. Marsden) studiarono il comportamento delle particelle α lanciate contro una sottilissima lamina di oro. Le particelle α possono essere considerate come piccolissimi proiettili dotati di carica positiva:la loro carica positiva è il doppio di quella del protone e la loro massa è circa quattrovolte quella del protone.La Figura 1 mostra lo schema dell’apparecchiatura utilizzata dall’équipe diRutherford. Lo schermo fluorescente disposto intorno alla lamina d’oro registral’impatto delle particelle α e quindi rivela che cosa succede a queste particelle quando sono lanciate contro la lamina di oro.fascio rettilineodi particellesorgenteradioattivadi particelle αparticelle respintelamina sottile di oroparticelledeviateI PROTAGONISTI DELLA SCIENZAERNEST RUTHERFORD (1871-1937)Il fisico neozelandese Rutherford riuscì ad accederenel 1895 ai laboratori di ricerca di Cambridge inInghilterra solo perché il vincitore della borsa distudio decise di rimanere a casa per sposarsi.Rutherford diede un grande contributo ai primistudi sulla radioattività. Egli scoprì fra l’altro duetipi di particelle cariche che vengono emesse dagliatomi radioattivi: le particelle α e β. La scopertache in seguito a queste emissioni l’atomo diun elemento si trasmuta nell’atomo di un altroelemento gli valse il premio Nobel per la Chimicanel1908.la maggior partedelle particellenon viene deviataschermofluorescenteFigura 1L’esperimento di Rutherford diede i seguenti risultati: la maggior parte delle particelle α attraversava la lamina metallica come se essanon costituisse alcun ostacolo; alcune particelle subivano una deviazione più o meno grande rispetto alla lineaimmaginaria perpendicolare alla lamina; alcune particelle non riuscivano neppure ad attraversare la lamina e «rimbalzavano» indietro.Per spiegare questi risultati, Rutherford cercò di immaginare ciò che incontravanole particelle α nell’attraversare la lamina. Come mostra la Figura 2 quasi tutte leparticelle α attraversano la lamina senza trovare ostacoli in grado di fermarle e la lorotraiettoria non è deviata. Le pochissime particelle che ritornano indietro trovano unostacolo insormontabile, un nòcciolo in cui è addensata tutta la carica positiva che ècapace quindi di esercitare una grande forza elettrica di repulsione sulle particelle αche hanno anch’esse carica positiva. Le particelle α che venivano deviate dovevanoessere quelle la cui traiettoria passava vicino alla carica positiva centrale.Il modello di Rutherford descrive quindi l’atomo come una sfera al cui centro èposto un piccolo nòcciolo dotato di carica positiva attorno al quale si muovono leparticelle negative.54Capitolo 4Modelli atomici e configurazione elettronica–––––––Thomson––– ––––RutherfordFigura 2 Secondo il modello di Thomson leparticelle α non dovrebbero essere deviate poichéla carica positiva diffusa è più debole. Invece,secondo il modello di Rutherford, la stessa caricaè concentrata in un volume piccolissimo e crea uncampo di forza molto pi

proporzionale al quadrato della distanza che le separa. Nel Sistema Internazionale la grandezza carica elettrica (Q) si misura in coulomb (C). Il valore della costante k che compare nella relazione cambia a seconda del ma-teriale che si interpone tra le cariche e nel vuoto vale 9,0 ·10 9 N ·m 2 / C 2. Nell’aria

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