Teoria atomica, modello atomico, spettro elettromagnetico numeri quantici e orbitali

Teoria atomica

I primi scienziati, come Thomson, non avevano ancora idea del modello atomico. Lui lo ipotizzò a panettone: una massa in cui uvetta e canditi, ovvero protoni ed elettroni (neutroni non conosciuti), erano distribuiti uniformemente. I protoni, carichi positivamente, e gli elettroni, carichi negativamente, erano in un numero tale da determinare equilibrio di carica e neutralità.

L'esperimento di Rutherford

L’esperimento condotto dallo scienziato neozelandese Ernest Rutherford nel 1911 fu decisivo per chiarire la struttura dell’atomo. Egli fece collidere un fascio di particelle alpha (nuclei di elio emessi da alcuni elementi radioattivi come il torio o l’uranio) con una lamina sottile di oro, al di là della quale pose uno schermo fluorescente. Rutherford osservò come, mentre la maggior parte (99%) delle particelle attraversava la lamina senza subire deviazioni, una parte veniva riflessa o deviata per angoli più o meno grandi.

Giunse così alla conclusione che l’atomo dovesse consistere di un nucleo carico positivamente, in cui era concentrata tutta la massa dell’atomo, e da elettroni posti esternamente al nucleo. Così, le rare volte che le particelle positive urtavano in pieno il nucleo di un atomo di oro, venivano deflesse completamente o deviate sensibilmente nel caso di un loro passaggio in prossimità del nucleo stesso di oro.

Video sull'esperimento di Rutherford

Usando un elemento radioattivo chiamato polonio che libera particelle caricate positivamente, il polonio viene messo in una scatola di piombo con una piccola apertura che permette il passaggio di un piccolo fascio di particelle caricate positivamente. Uno schermo ricoperto con un particolare materiale emette lampi di luce quando viene colpito da particelle cariche positivamente con al centro una piccola lamina d’oro. La maggior parte delle particelle attraversa la lamina e colpisce lo schermo dietro di essa, ma non tutte; alcune deviano lateralmente e circa 1 ogni 20,000 di esse rimbalza dietro la pellicola verso la sorgente.

• Poiché le particelle alfa nella maggior parte dei casi oltrepassavano la lamina d’oro senza subire deviazioni, significava che non incontravano alcun ostacolo sul proprio cammino e che quindi l’atomo doveva essere formato prevalentemente da spazio vuoto.
• Poiché in qualche caso le particelle alfa venivano deviate e in rarissimi casi venivano riflesse, l’intera carica positiva (protoni) dell’atomo doveva essere concentrata in un “nocciolo” piccolissimo e centrale: il nucleo.
• Gli elettroni negativi dovevano muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del nucleo doveva essere centomila volte più piccolo del diametro dell’atomo.

Questo modello atomico è detto modello planetario, poiché ricorda, in miniatura, il sistema solare in cui il Sole rappresenta il nucleo dell’atomo e i pianeti gli elettroni, che si muovono lungo le proprie orbite attorno al Sole (nucleo dell’atomo). Anche se geniale, il modello atomico di Rutherford non teneva conto di un importantissimo dato sperimentale della fisica: una particella in movimento ed elettricamente carica perde incessantemente energia. Poiché ciò deve valere anche per l’elettrone (carico negativamente), esso, perdendo via via energia, avrebbe finito per muoversi lungo orbite sempre più piccole, fino a cadere sul nucleo. Questo modello atomico fu successivamente sostituito dal modello atomico di Niels Bohr.

Dal modello di Rutherford ai neutroni

Il nucleo è composto da protoni. Rutherford intuì l’esistenza di particelle non cariche con massa dell’elettrone. Poiché il protone ha una carica elettrica positiva uguale in valore assoluto a quella dell’elettrone e una massa circa 1800 volte maggiore di quella dell’elettrone, Rutherford, dalla distribuzione angolare delle particelle alfa diffuse, riuscì a calcolare il numero dei protoni nel nucleo dei metalli costituenti il foglio usato come bersaglio: scoprì che la loro massa complessiva risultava in media uguale a 0,5 volte il peso atomico (PA) dell’elemento considerato. Dovevano essere presenti anche altre particelle elettricamente neutre per giustificare la massa del nucleo: i neutroni, scoperti nel 1932 da Chadwick.

Radiazione elettromagnetica

La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che viaggia nel vuoto alla velocità della luce (3 × 10⁸ m/s) formando campi elettrici e magnetici tra loro perpendicolari, che definiscono funzioni sinusoidali.

• Si definisce lunghezza d'onda (λ-lambda) la distanza tra due punti consecutivi in concordanza di fase (due minimi, due nodi o due massimi chiamati anche creste). È misurata in unità di lunghezze: m, cm, nm, Å.
• Si definisce frequenza (ν-Ni) il numero di creste che vengono osservate al secondo, ovvero il numero di cicli subiti dall’onda nell’unità di tempo, ovvero il numero di onde che passano per un punto in 1 sec. La frequenza si calcola come reciproco del periodo (1/T) e si misura in cicli/s o hertz (1Hz = 1 vibrazione al secondo).
• Si definisce infine ampiezza dell’onda l’altezza di una cresta dell’onda o la profondità di una valle. L'ampiezza d'onda è quindi la distanza del massimo della cresta dall'asse di propagazione dell'onda. La sua unità di misura è il metro (o uno dei suoi sottomultipli).

Spettro elettromagnetico

Le onde elettromagnetiche si classificano in funzione di λ (lunghezza d’onda) o di ν (frequenza) in onde corte, microonde, raggi X e altro.