Concetti Chiave
- Il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce che non è possibile determinare con precisione la posizione e la quantità di moto degli elettroni, considerandoli come particelle di natura ondulatoria.
- La densità elettronica rappresenta la probabilità di trovare un elettrone in determinate aree attorno al nucleo, formando una nuvola di elettricità con massima densità nei punti di massima probabilità.
- L'energia degli elettroni è quantizzata, ossia può assumere solo valori discreti, con gli elettroni più lontani dal nucleo che possiedono energie maggiori rispetto a quelli più vicini.
- Le zone orbitali indicano le aree intorno al nucleo dove è più probabile trovare un elettrone, essenziali per comprendere la distribuzione elettronica nell'atomo.
- I numeri quantici, compresi il numero quantico principale e le lettere s, p, d, f, definiscono la posizione, l'energia e la forma degli orbitali in cui si trovano gli elettroni.
Principio di indeterminazione
Gli elettroni si muovono intorno al nucleo e , secondo il principio di indeterminazione di W. Heisenberg (1927) sul movimento dei corpuscoli, non si può calcolare con esattezza la loro posizione e la loro quantità di moto; così anche la velocità dell'elettrone si può calcolare con una precisione talmente bassa che non vi è possibilità di dimostrare sperimentalmente che esso abbia una traiettoria ben definitiva come volevano le prime teorie sulla struttura dell'atomo (E. Rutherford, 1911; N. Bohr, 1913). In effetti le moderne vedute sulla struttura dell'atomo portano a descrivere l'elettrone non più come una particella che ruota intorno al nucleo su un'orbita ben precisa, ma come una particella di natura ondulatoria (L. De Broglie, 1924). Un fascio di elettroni cioè ha la proprietà presentate dalle radiazioni (C. Davisson e L. Germer 1927) e nell'atomo l'elettrone risulta de-localizzato su un'onda stazionaria (esso si muove cioè casualmente individuandosi in vibrazioni la cui configurazione non muta con il tempo).
Probabilità e densità elettronica?
Nello spazio che circonda il nucleo, tale onda lo possiamo immaginare come una nuvola di elettricità che ha in ogni punto una certa densità di elettricità; questa densità è evidentemente proporzionale alla probabilità che ha l'elettrone di trovarsi in quel punto. Pertanto, quando si dice che l'elettrone si trova ad una certa distanza dal nucleo, in realtà questa non è l'unica distanza a cui esso si trova, ma è la distanza dove esiste la massima probabilità di trovare l'elettrone.
Energia e quantizzazione
Gli elettroni in conseguenza al loro movimento posseggono una energia cinetica ed in conseguenza alla loro posizione nel campo elettrostatico del nucleo posseggono un'energia potenziale, che è tanto maggiore quanto più l'elettrone è lontano dal nucleo, la somma delle due forme di energia (energia totale) viene conservata inalterata dall'elettrone nel suo cammino, da qui nasce il concetto di stazionalità dell'onda associativa al movimento dell'elettrone.
Come altre forme di energia, Bohr disse che anche quella dell'elettrone deve essere quantizzata, cioè essa non può assumere tutti i valori possibili ma soltanto alcuni valori discreti, multipli interi di un valore minimo (quanto di energia). Da tutto ciò consegue che due elettroni che muovono a distanze diverse dal nucleo posseggono energie quantizzate diverse e che quello più lontano avrà un contenuto di energia maggiore di quello posseduto dall'elettrone più vicino al nucleo e sarà quest'ultimo elettrone ad essere attratto più fortemente dal nucleo; si dirà altre sì che il primo elettrone si trova ad un livello energetico maggiore di quello a cui si trova il secondo.
Le zone orbitali sono quelle in cui si ha più possibilità di trovare un'elettrone intorno al nucleo.
Numeri quantici e orbitali
Semplificando si può dire che ciascun orbitale (e l'elettrone che vi si trova) può essere caratterizzato da:
a) un numero intero (1,2,3,4....) genericamente simboleggiato con n e detto numero quantico principale; questo numero indica la posizione quantizzata dall'elettrone rispetto al nucleo, cioè al suo aumentare aumenta la distanza media dell'elettrone dal nucleo, e definisce quelli che si chiamano strati o gusci o livelli di elettroni; in spettroscopia questi strati erano simboleggiati con le lettere K L M N O P Q rispettivamente per n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ; detto numero è correlabile principalmente all'energia dei livelli elettronici;
b) una lettera minuscola ( s p d f ) che indica i cosiddetti sottostrati o sottolivelli in cui si suddivide uno strato; questa lettera, oltre all'energia, definisce la forma e l'orientamento dell'orbitale, cioè della nuvola di elettricità dove si ha la maggiore probabilità di trovare l'elettrone.
Domande da interrogazione
- Qual è il principio di indeterminazione di Heisenberg e come influisce sulla comprensione del movimento degli elettroni?
- Come si può descrivere la densità elettronica nello spazio attorno al nucleo?
- In che modo l'energia degli elettroni è quantizzata secondo Bohr?
- Cosa sono gli orbitali e come si definiscono?
- Qual è il significato dei numeri quantici nella descrizione degli elettroni?
Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che non è possibile calcolare con esattezza la posizione e la quantità di moto degli elettroni, portando a una visione dell'elettrone come una particella di natura ondulatoria piuttosto che come una particella con una traiettoria definita.
La densità elettronica è rappresentata come una nuvola di elettricità, dove ogni punto ha una certa densità proporzionale alla probabilità di trovare l'elettrone in quel punto, indicando che l'elettrone non ha una posizione fissa ma una probabilità di trovarsi a diverse distanze dal nucleo.
Bohr affermò che l'energia degli elettroni è quantizzata, cioè può assumere solo valori discreti, multipli interi di un valore minimo, il che implica che elettroni a distanze diverse dal nucleo possiedono energie diverse, con quelli più lontani aventi energia maggiore.
Gli orbitali sono zone in cui è più probabile trovare un elettrone intorno al nucleo e sono caratterizzati da numeri quantici che indicano la posizione quantizzata dell'elettrone e la forma dell'orbitale, definita da lettere minuscole (s, p, d, f) che rappresentano i sottostrati.
I numeri quantici, come il numero quantico principale (n) e le lettere per i sottostrati, definiscono la posizione e l'energia degli elettroni rispetto al nucleo, indicando la distanza media e la forma degli orbitali in cui si trovano.
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