Caratteristiche degli atomi

Struttura dell'atomo

Esistono circa tipologie di atomo. La dimensione dell'atomo:

1. Approssimando la sua forma a quella di una sfera invisibile, l'atomo ha un diametro di 0,000000000040 metri.
2. Le sue dimensioni, a seconda degli elementi considerati, oscillano tra i 40 e i 350pm:
   • 1 nm = 0,000000001 m
   • 1 pm = 0,000000000001 m
3. Per le scale atomiche è utilizzato l'Angstrom (A):
   • 1 A = 0,0000000001 m

La struttura si basa sulla fisica dei quanti (che risale ai primi anni del XX secolo) e serve per descrivere alcuni fenomeni e reazioni chimiche:

• L'atomo è essenzialmente vuoto.
• Il nucleo è costituito da protoni (carichi positivamente), neutroni (neutri) e da una nube esterna di elettroni (carichi negativamente).
• n × p = n × e

Nel complesso, l'atomo è caratterizzato da cariche complementari che si respingono e cariche opposte che si attraggono. Nei sistemi macroscopici è la forza di gravità a tenere stabilmente i pianeti su alcune orbite intorno alla stella centrale, mentre nel sistema atomico sono le forze elettriche a svolgere questo ruolo.

I costituenti dell'atomo sono il protone, l'elettrone e il neutrone. La massa dell'elettrone è circa 1840 volte più piccola di quella del protone e del neutrone. Il neutrone può essere considerato come un aggregato intimo tra un protone ed un elettrone.

Il nucleo dell'atomo è composto da protoni e neutroni. I protoni sono particelle con carica positiva (numero atomico Z), mentre i neutroni sono particelle neutre che contribuiscono alla stabilità del nucleo. Sia i protoni che i neutroni sono a loro volta costituiti da altre particelle subatomiche chiamate quark.

Il numero di protoni e neutroni è specifico per ogni elemento. Il numero di protoni presenti nel nucleo determina il numero di elettroni che ruotano intorno all'atomo e viceversa.

massa dell'atomo

Il nucleo è il responsabile della (somma n + p, n°atomico A)

Numero atomico e numero di massa

• Il numero atomico (Z) indica il numero di protoni presenti nel nucleo
• Il numero di massa (A) indica la somma del numero di protoni e del numero di neutroni (n° totale di nucleoni)

Isotopi di un elemento

Quasi tutti gli elementi sono costituiti da atomi di diversa massa, chiamati isotopi.

• Gli isotopi sono atomi "gemelli", che hanno lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni.
• Gli isotopi appartengono allo stesso elemento, hanno lo stesso numero atomico Z, ma un diverso numero di massa A.

Gli isotopi per un dato elemento hanno in generale delle abbondanze naturali assai diverse:

Es. ------------> Protoni e neutroni

All'aumentare del numero atomico Z, aumenta il rapporto n/p.

Regione bianca = fascia di stabilità (i puntini rossi sono gli isotopi)

Nella

prima parte (circa fino a 20) vi è un rapporto 1:1 tra numero neutroni e numero protoni• Ad un certo punto (verso il 26, elemento ferro, elemento più stabile in natura) gli elementi cominciano ad essere meno stabili e la curva dei punti rossi comincia a salire sempre più in alto, poiché per avere elementi più pesanti del ferro (con più neutroni) occorre aggiungere sempre più protoni per poterli stabilizzare. (Fino al 80 gli elementi sono stabili)

Energia di legame dei nuclei• L'energia di legame è l'energia necessaria per tenere aggregate le parti di un sistema composto.• Nel nucleo agiscono le grandi forze di legame nucleari che sovrastano nettamente la repulsione elettrostatica fra i protoni; l'energia di legame è, infatti, una forza nettamente più grande della forza repulsiva di Coulomb che, invece, allontana tra loro i nucleoni con la stessa carica elettrica (protoni).

Einstein

l'energia di legame è un collegamento tra la massa e l'energia di un corpo. Questa relazione è nota come equazione di Einstein: 2E = mc². L'energia di un corpo è pari al prodotto tra la massa del corpo (m) e il quadrato della velocità della luce nel vuoto (c). 1. Fondendo insieme neutroni e protoni liberiamo energia (più alto è il numero di p+n e maggiore è l'energia liberata). 2. Il massimo della stabilità che si può ottenere è 55-56 circa, che è il numero di nucleoli dell'elemento ferro. Oltre quella soglia si inizia a liberare sempre meno energia. 3. Intorno a 238, l'elemento uranio declina velocemente fino a crollare. Non c'è più stabilità nella costruzione dei nuclei atomici poiché non si riesce più a fondere insieme nucleoni e a far sì che essi siano stabili (si stabilizzano quando si libera energia). • Più il sistema

è in grado di essere attratto maggiore energia si libera• Maggior energia si libera maggiore è la stabilità del sistema

Il difetto di massa

L'equazione di Einstein spiega il fenomeno della differenza di massa tra i nucleoni isolati e quellinel nucleo di un atomo.

Quando un nucleone isolato entra a far parte del nucleo, trasforma una parte della propria massa(-Δmnucleone ) in energia di legame ( +ΔE ). 2cΔE = ( mnucleoni - mnucleo ) ·—> I vari nucleoni che si fondono insieme costituiscono una massa nucleare aggregata (mnucleo)che è sempre inferiore alla somma delle masse dei singoli nucleoni isolati (Σmnucleoni).

• La massa può essere considerata come un complesso di energia che in ogni istante può essereliberata e quindi diminuire.

• Tutti gli elementi più pesanti dell’idrogeno hanno bisogno di un’aggiunta di neutroni che lineutralizza e stabilizza in quanto nella loro

struttura atomica vi è una tendenza da parte delle cariche dello stesso segno a crescere sempre di più

Energia di legame per nucleone Il piccolo difetto di massa osservabile nei nucleoni combinati insieme in un nucleo atomico, rispetto alla massa dei medesimi nucleoni liberi, è connesso all'emissione (∆E = ∆m) dell'energia nucleare di legame, che stabilizza i nuclei atomici, sovrastando le forze repulsive elettrostatiche.

• Più nucleoni fondi insieme maggiore è il difetto di massa;
• Maggiore è la pesantezza dei nucleo maggiore sarà il numero di protoni concentrati al suo interno e maggiore sarà tutta la serie di forze repulsive tra un protone e l'altro.

Elementi molto leggeri hanno tendenzialmente in natura la speranza energetica di fondersi insieme diventando nucleoni più pesanti

• Fino al ferro vi è la possibilità, aggiungendo nucleoni, di avere un forte difetto di massa che stabilizza

Il nucleo• Il ferro è il punto di stabilità più alto• Al di sopra del ferro, continua a crescere Z, il numero di protoni che confina in quegli spazinucleari molto piccoli comincia ad essere troppo grande—> i nuclei più pesanti del ferro sono meno stabili del ferro, non tenderanno a fondersi ma adisgregarsi per trovarsi in una condizione di stabilità più favorevole