Comprendere l'atomo: struttura, esperimenti e energia nucleare

Struttura dell'atomo

L'atomo è formato da protoni (carichi positivamente e situati nel nucleo), neutroni (con carica neutra e anch'essi situati nel nucleo) ed elettroni (con carica negativa e ruotano nello spazio vuoto a grandi distanze dal nucleo).

Protone: unità di massa atomica

Neutrone: peso = 1

Elettrone: peso = 1900 volte minore del peso del protone.
Esperimento di Rutherford: serve per mettere in evidenza che l'atomo non è una palla piena, ma uno spazio vuoto al centro del quale vi sono le cariche positive e le cariche negative si trovano a grandissime distanze dal centro. Utilizza una sorgente di particelle α con la quale bombarda un sottilissimo foglio d'oro. Nota che gran parte delle particelle non hanno problemi ad attraversare il foglio, mentre alcune vengono deviate o rimbalzate (questo avviene perchè passano vicino al nucleo o gli vanno addirittura contro). Questi studi superano la teoria atomica di Dalton, ma per quanto riguarda lo studio delle reazioni chimiche possiamo continuare a parlare dell'atomo di Dalton.

- 35;

- Cl;

- 17.

Numeri atomici e di massa

Con il numero 35 indichiamo il numero di massa, ovvero il numero delle particelle che si trovano nel nucleo (protoni e neutroni). Non si trova sulla tavola periodica in quanto è un valore variabile, è una proprietà del singolo atomo. Sulla tavola troviamo il valore medio dei numeri di massa di tutti gli isotopi che è la massa atomica.

Con il numero 17 indichiamo il numero atomico, ovvero il numero dei protoni all'interno dell'atomo (si trova scritto sopra il simbolo della molecola nella tavola periodica). Ad ogni elemento corrisponde un numero atomico caratteristico.

Spettrometro di massa

Spettrometro di massa: è lo strumento utilizzato per pesare gli atomi e le molecole. Il campione viene vaporizzato da una scarica elettrica che serve anche ad eliminare gli elettroni presenti, il campione diventa uno ione di carica positiva che si muove verso una piastra con carica negativa che serve per dare un moto allo ione. Poi passa attraverso un campo magnetico che lo devia. L'angolo di deviazione dipende esclusivamente dalla massa, quindi così si trova il peso.

Instabilità nucleare

In alcuni casi, ci sono degli isotopi di alcuni elementi che tendono ad emettere energia (questi materiali sono contenuti nelle rocce). Ci sono atomi in natura che hanno nucleo instabile, fatto che dipende dal numero di protoni e neutroni che ci sono nel nucleo. Il fatto che i protoni possano stare tutti concentrati nel nucleo nonostante tutti abbiano cariche positive è garantito dalla presenza di neutroni e di forze dette nucleari o forti che attraggono le particelle tra di loro tendendo ad aggregarle. Queste forze possono agire perchè sono molto più forti delle forze che respingono i protoni tra di loro. In alcuni casi il numero delle particelle nel nucleo provoca instabilità e l'atomo può emettere delle particelle.

Ci sono tre casi principali:

- la molecola che espelle radiazioni α (2 protoni + 2 neutroni) che hanno poca energia;

- la molecola che espelle radiazioni ß (elettroni) più penetranti delle α, ma con poca energia;

- la molecola che espelle radiazioni Γ che sono molto forti e possono essere fermate solo con schermi molto resistenti, come per esempio una lastra di piombo.

Energia nucleare e difetto di massa

Con il termine di energia nucleare indichiamo l'energia che bisognerebbe spendere per separare i nucleoni (le particelle del nucleo, protoni e neutroni)l'uno dall'altro. Essa corrisponde ad un difetto della massa del nucleo dell'atomo. Il difetto di massa è la differenza tra la somma delle singole masse dei nucleoni che si devono aggregare per formare un nucleo e la massa nucleare effettiva. La massa è quindi una forma di energia. La relazione che lega E e m è: E=m c^2 con c che è la velocità della luce nel vuoto (3 x 10^8). L'energia nelle trasformazioni nucleari corrisponde alla differenza tra l'energia dei nuovi nuclei prodotti e quella dei reagenti.

Fissione e fusione nucleare

In questo tipo di reazione nucleare un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli. Si prendono materiali detti fissili e li si bombarda con particelle che servono per rendere instabile l'atomo e permettere la produzione di energia.

Al contrario della fissione, si cerca di costruire atomi grandi a partire da atomi più piccoli. È un processo che richiede una grande quantità di energia, ma non appena si forma la nuova molecola si ha un guadagno di energia assai superiore all'energia impiegata par la fusione. Dev'esserci un'energia cinetica tale da far sì che dopo l'urto si formi un solo atomo. Gran parte dell'energia che utilizziamo, anche se a volte molto alla lontana, è legata alla fusione nucleare.

Proprietà macroscopiche degli atomi

Gli atomi non si vedono, quindi per andare ad analizzarli bisogna andare a ricercare le loro proprietà macroscopiche (come nell'esperimento che abbiamo fatto in laboratorio, con gli atomi che davano una fiamma di colore diverso l'uno dall'altro).