Da atomo a tavola periodica

Da atomo a tavola periodica

Gli esperimenti sull'elettricità avevano chiarito fin dalla fine del '700 che la materia è composta da particelle con carica elettrica positiva o negativa; ogni ipotesi sulla struttura dell'atomo doveva prevederne l'esistenza.

Nel corso della storia della chimica furono proposti vari modelli della struttura dell'atomo. Il primo modello effettivamente capace di spiegare le proprietà di queste particelle è quello elaborato dal fisico danese Niels Bohr, che prevede un nucleo centrale, piccolo e molto denso, con carica elettrica positiva e delle particelle più piccole, gli elettroni che ruotano intorno al nucleo. L'atomo di Bohr è quindi simile ad un sistema solare in miniatura, con un sole al centro (il nucleo) e vari pianeti che gli orbitano intorno (gli elettroni).

L'atomo di Bohr è inoltre quantistico: si intende con questo termine che l'elettrone ruota soltanto su alcune orbite stabili e può trovarsi soltanto a certe distanze dal nucleo. Bohr riteneva che fossero stabili soltanto quelle orbite la cui circonferenza era un multiplo intero della lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica associata all'elettrone.

Figura 1: il modello atomico planetario e quantistico di Niels Bohr per l'atomo di idrogeno.

Il modello attuale della struttura dell'atomo deriva da quello di Bohr e ne mantiene alcune delle caratteristiche principali, la più importante delle quali è la natura quantistica. Per chiarire questo concetto occorre riferirsi al principale dato sperimentale noto a Bohr (e a tutti i fisici successivi), lo spettro di assorbimento e di emissione della luce. Gli atomi isolati in fase gassosa (ad esempio di elio, o in particolari condizioni anche di idrogeno) se illuminati con luce policromatica assorbono solo radiazioni di lunghezza d'onda specifica; e se riscaldati o comunque eccitati con energia opportuna emettono solo radiazioni di lunghezza d'onda specifica (uguale a quella assorbita). Gli spettri di assorbimento e di emissione atomici sono discontinui e composti di "righe".

Il modello di Bohr interpreta le righe di emissione o di assorbimento come le frequenze delle radiazioni luminose la cui energia corrisponde alla differenza di energia tra orbite contigue: un elettrone assorbe soltanto la radiazione della lunghezza d'onda necessaria per fornirgli l'energia che lo sposta da un'orbita all'orbita successiva; e un elettrone eccitato che si trova in un'orbita più esterna ricade nell'orbita più interna emettendo la stessa energia (cioè una radiazione della stessa lunghezza d'onda di quella che aveva assorbito). Questo implica che le diverse orbite siano "quantizzate": l'elettrone non può assorbire una radiazione "qualsiasi" e allontanarsi dal nucleo di "un pochino": può soltanto saltare da un'orbita alla successiva, come se salisse un gradino di una scala. Il modello atomico di Bohr fu il primo a permettere il calcolo degli spettri di assorbimento ed emissione dell'idrogeno (ma funzionava male con atomi di dimensioni maggiori o con molecole).

La fisica quantistica è affascinante ma complessa e controintuitiva; chi volesse conoscerne alcuni aspetti può trovare molto materiale interessante sul web, ad esempio:

• Elementi di spettroscopia atomica;
• L'esperimento della doppia slitta;
• L'entanglement si può leggere qui oppure qui;
• La catastrofe dell'ultravioletto e la costante di Planck;

A chi invece si lascia affascinare dalle immagini suggerisco di guardare questo time lapse girato dalla NASA che mostra le immagini del sole guardato alla lunghezza d'onda di 656 nm (la banda di emissione α dell'idrogeno). Il filmato mostra come la selezione di una lunghezza d'onda specifica può rivelare eventi anche su larga scala dovuti alla transizione elettronica di un singolo tipo di atomi.

Le particelle che compongono l'atomo

L'atomo è costituito da un nucleo centrale che ne contiene quasi tutta la massa ed ha carica elettrica positiva, e dagli elettroni, molto più piccoli, che ruotano intorno al nucleo ed hanno carica elettrica negativa.

Tabella 1: particelle subatomiche

Struttura del nucleo atomico

Il nucleo atomico è a sua volta costituito da due tipi di particelle: i protoni, con carica elettrica positiva, ed i neutroni, privi di carica elettrica. La carica dell'elettrone è uguale di intensità ma opposta per il segno alla carica del protone (si veda la tabella 1).

Si definisce numero atomico, Z, il numero dei protoni presenti nel nucleo dell'atomo; poiché ogni protone presenta carica elettrica elementare pari a +1, la carica positiva totale del nucleo è pari a Z. Poiché l'atomo è elettricamente neutro, e poiché l'elettrone ha carica elementare uguale al protone ma di segno opposto, Z è anche il numero di elettroni dell'atomo neutro isolato.

Si definisce numero di massa, A, la somma del numero di protoni e neutroni dell'atomo. Poiché la massa dell'elettrone è trascurabile, A corrisponde approssimativamente alla massa dell'intero atomo espressa in Unità di Massa Atomica (UMA; in precedenza questa unità era chiamata Dalton).

Il numero di massa viene indicato in alto e a sinistra del simbolo atomico; il numero atomico in basso e a sinistra.

Isotopi

Se due nuclei hanno diverso valore di Z sono diversi e formano atomi diversi, con diverso nome. Se invece due nuclei hanno uguale valore di Z ma differiscono per il valore di A (cioè hanno lo stesso numero di protoni ma differiscono per il numero di neutroni) essi formano atomi con caratteristiche chimiche uguali detti isotopi (dal greco, stesso luogo, perché occupano la stessa posizione nella tavola periodica). Ad esempio esistono tre varianti dell'idrogeno, il cui nucleo è costituito rispettivamente da un protone (Z=1, A=1); un protone e un neutrone (deuterio, Z=1, A=2); un protone e due neutroni (trizio, Z=1, A=3): l'idrogeno comune (¹H), il deuterio (²H) e il trizio (³H) sono i tre isotopi dell'idrogeno.

Definizione: atomi dello stesso elemento (quindi con uguale valore di Z), che presentino un diverso numero di massa A sono definiti isotopi: gli isotopi hanno la stessa reattività chimica.

Figura 2: rappresentazione schematica di alcuni nuclei atomici.

Il peso atomico

Per quanto piccolo, l'atomo ha una massa ed è quindi attratto dai campi gravitazionali (cioè ha un peso). La massa dell'atomo si esprime in unità di massa atomica (UMA o Dalton) e corrisponde approssimativamente al numero di massa A. Una UMA è definita come la dodicesima parte della massa dell'isotopo 12 del carbonio e non è esattamente equivalente quindi né alla massa del protone né a quella del neutrone (si veda la tabella 1). Infatti una piccola frazione della massa atomica di ciascun nucleone è convertita in energia di interazione forte nucleare e quindi i protoni di nuclei diversi non hanno esattamente la stessa massa. Questo non implica che i protoni di un atomo siano "diversi" da quelli di un altro: la perdita di massa si accompagna alle reazioni nucleari di fusione e fissione ed è responsabile dell'energia atomica (delle centrali termonucleari e delle bombe atomiche).

A causa della presenza degli isotopi, la massa atomica non coincide con il numero di massa dell'atomo, anche volendo prescindere dal fatto che i nucleoni non hanno massa esattamente unitaria. La massa atomica media è calcolata tenendo conto delle abbondanze relative degli isotopi e per questo le tavole riportano valori decimali (ad esempio il cloro ha peso atomico 35,45).

Tabella 2: esempi della abbondanza isotopica relativa

Tabella 2: esempi delle abbondanze isotopiche relative di tre elementi importanti per la biochimica.

Nota (*): il ¹⁴C viene prodotto nell'atmosfera a seguito dell'irraggiamento dell'azoto con neutroni: ¹⁴N + neutrone --> ¹⁴C + ¹H.

Lo spin nucleare e la risonanza magnetica nucleare (RMN o NMR)

Il nucleo dell'atomo ruota sul suo asse: ha cioè un movimento di 'spin'. Come tutte le cariche elettriche in movimento, anche il nucleo a causa del suo spin genera un campo elettromagnetico. In un corpo qualsiasi gli spin nucleari sono orientati in tutte le direzioni dello spazio (sono cioè disordinati, ed il campo magnetico risultante è nullo). Un campo elettromagnetico di opportuna intensità può orientare nella stessa direzione gli spin di tutti i nuclei dell'oggetto che vi è immesso e ordinarli. Questo processo assorbe energia dal campo.

Se un corpo viene introdotto in un campo magnetico adatto ad orientare gli spin nucleari questi si ordinano; e se la polarità del campo viene improvvisamente invertita anche gli spin nucleari si riorientano. Il riorientamento di spin può essere seguito grazie all'assorbimento di energia del campo magnetico ed è utilizzato in medicina per investigare la distribuzione spaziale dei nuclei atomici prescelti in una indagine diagnostica per immagini denominata TAC-RMN (Tomografia Assiale Computerizzata a Risonanza Magnetica Nucleare; spesso soltanto NMR o RMN).

Poiché ogni nucleo risponde a valori precisi dell'energia del campo elettromagnetico, nella RMN è possibile selezionare nuclei specifici. La RMN utilizzata per la diagnostica per immagini usa campi elettromagnetici che orientano lo spin del nucleo di idrogeno e quindi rivela soprattutto la distribuzione dell'acqua e dei grassi (ricchi di idrogeno).

Reazioni nucleari; radioattività

Le particelle che compongono il nucleo possono andare incontro ad alcune trasformazioni, fenomeno definito radioattività. Le più importanti reazioni nucleari sono le seguenti:

P+ --> N + e+ (1)

N --> P+ + e- (2)

Si noti che: a) nelle reazioni si ha conservazione della carica: ad esempio la trasformazione del neutrone nella reazione 2 (carica=0) produce un protone (carica=+1) e un elettrone (carica=-1) la somma delle cui cariche è uguale a quella del neutrone (+1-1=0); b) il decadimento del protone nella reazione 1 produce un positrone (elettrone positivo o antielettrone, un componente dell'antimateria, di norma non presente sulla Terra o nelle sue vicinanze). Per ragioni storiche, gli elettroni emessi dal nucleo nel corso dei fenomeni radioattivi sono chiamati radiazioni β (beta) e naturalmente esistono nelle due varietà β+ e β-.

Un altro tipo di reazione nucleare che non comporta la trasformazione di una particella in un'altra è l'emissione dal nucleo di una particella α (alfa), costituita da due neutroni e due protoni e pertanto uguale ad un nucleo di elio. La radioattività è legata a reazioni che avvengono nel nucleo dell'atomo e non ha nulla a che vedere con la reattività chimica, che interviene a livello degli elettroni più esterni.

Poiché alcuni isotopi di alcuni atomi sono radioattivi mentre altri non lo sono, il termine radioattività è erroneamente legato nel discorso comune a quello di isotopo, ma i termini 'isotopo' e 'radioattivo' non sono affatto sinonimi.

In natura esistono nuclei atomici stabili, detti freddi, e nuclei instabili, detti caldi. I nuclei caldi decadono spontaneamente emettendo radiazioni corpuscolate e si trasformano in nuclei diversi (cioè con diverso valore di Z) detti nuclei figli. In genere all'emissione di una radiazione corpuscolata si associa anche quella di una radiazione elettromagnetica, non corpuscolata, detta radiazione γ (gamma; in realtà la radiazione γ appartiene alle frequenze tipiche dei raggi X ed ha la sola caratteristica distintiva di essere intensamente monocromatica).

La radioattività è un fenomeno naturale che ha grande interesse per la medicina per due ragioni: in primo luogo gli elementi radioattivi ed i loro composti sono inquinanti ambientali dannosi per la salute dell'uomo e possono causare malattie; in secondo luogo elementi radioattivi possono essere impiegati per scopi diagnostici (nell'indagine chiamata scintigrafia; nella tomografia a emissione di positroni) e terapeutici.

Misura della radioattività

L'unità di misura della radioattività è il Becquerel (Bq), corrispondente ad un evento di decadimento nucleare per secondo. Ogni isotopo radioattivo ha una sua specifica intensità di radioattività; ad esempio 1 g di radio ha una radioattività di 3,7 x 10¹⁰ Bq (ovvero il radio ha una radioattività specifica pari a 3,7 x 10¹⁰ Bq/g). In precedenza si utilizzava come unità di misura della radioattività il Curie (cu), definito come la quantità di radiazione emessa in 1 secondo da 1 g di radio (quindi 1 cu = 3,7 x 10¹⁰ Bq) e tale unità è ancora occasionalmente impiegata nella pratica.

Cinetica del decadimento radioattivo

Il numero di decadimenti radioattivi che si osserva in una unità di tempo (min., sec., etc.) in un determinato campione è funzione del numero di nuclei radioattivi in esso presenti. Poiché ogni nucleo radioattivo ha la stessa probabilità di decadere nell'unità di tempo, e la quantità dei nuclei radioattivi diminuisce nel tempo, anche la radioattività del campione diminuisce progressivamente.