LA STRUTTURA DELL’ATOMO

L’atomo è formato da una parte centrale, detta nucleo, con elettroni orbitanti.Il nucleo è composto da protoni e neutroni (particelle subatomiche).

I NUCLEONI (protoni e neutroni) sono costituiti da particelle fondamentali : i quarkSolo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura.I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre quark per protone e neutrone.Il protone è formato da due quark up e un down con carica totale di +1. Un neutrone, invece, è formato da due quark down e un quark up, che danno carica totale pari a zero.

Orbitale

NEUTRONI PROTONI

Down quark

Up quark

Carica - ⅓

Carica + ⅔

Carica (- ⅓ - ⅓ + ⅔) = 0 Carica (+ ⅔ + ⅔ - ⅓ ) = 1

Nessuna carica Carica positiva

Carica negativa

ELETTRONI

NUCLEO

LA STRUTTURA DELL’ATOMO

Numero atomicoIl numero atomico Z indica il numero di protoni (p+) presenti nel nucleo.

Numero di massaIl numero di massa A corrisponde invece alla somma tra protoni e neutroni presenti nel nucleo protoni e neutroni sono indicati complessivamente con il termine di nucleoni).Il numero di neutroni N si calcola applicando la seguente formula:N = A – ZLe proprietà chimiche di un elemento dipendono solo dal numero dei protoni. Aumentare il numero dei neutroni di un nucleo, non cambia in alcun modo le proprietà chimiche del rispettivo atomo.

NUCLEO

ELETTRONI

NEUTRONI

PROTONI

Quark

8

O

Nessuna carica

Carica positiva

Carica negativa

Quark

16

NUMERO ATOMICONumero dei protoni

MASSA ATOMICANumero dei protoni e dei neutroni

SIMBOLO CHIMICO

NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI

Ossigeno NOME ELEMENTO

MASSA ATOMICA

Trovare una bilancia in grado di pesare un atomo è impensabile perché i valori son molto piccoli perciò si usa la massa relativa, cioè masse atomiche che sono rapportate ad una grandezza di riferimento.L’atomo che viene scelto come riferimento è quello del Carbonio-12 (1,99 10∙ -26 kg).L’unità scelta non è l’atomo intero, ma la sua 12 esima parte , che corrisponde circa a 1,66 10∙ -

27 kg. Tale unità viene chiamata unità di massa atomica (uma) (oppure dalton).La massa atomica relativa di un elemento indica quante volte la massa di un atomo è maggiore rispetto a un dodicesimo della massa del carbonio-12.

8

O16

NUMERO ATOMICONumero dei protoni

MASSA ATOMICANumero dei protoni e dei neutroni

SIMBOLO CHIMICO

NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI

Ossigeno NOME ELEMENTO

L’Ossigeno ha massa atomica 16 u: non significa che pesa 16 g ma che la sua massa è 16 volte più grande di quella dodicesima parte del C12

Massa molecolare relativaLa massa di una molecola, detta massa molecolare, è uguale alla somma delle masse di tutti gli atomi che compongono la molecola.Vediamo come eseguire il calcolo della massa molecolare di CH3CH2Cl2 atomi di C = 2 · 12,01 = 24,02 uma5 atomi di H = 5 · 1,01 = 5,05 uma1 atomi di Cl = 1 · 35,45 = 35,45 uma ---------------massa molecolare = 64,52 uma

ISOTOPI

Il termine isotopo deriva dal greco che significa “stesso posto”. Gli isotopi di un elemento chimico, infatti, hanno lo stesso numero atomico Z (stesso numero di protoni) e quindi occupano lo stesso posto nella tavola periodica, ma un differente numero di neutroni N. Inoltre, pur avendo masse differenti, non differiscono nel loro comportamento chimico, perché hanno lo stesso numero di protoni e quindi lo stesso numero di elettroni.La maggior parte degli elementi ha isotopi stabili e radioattivi a partire dal numero atomico 84, ossia il polonio.

17

Cl 35

Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi che vengono così rappresentati:

Cloro

Entrambi gli atomi di cloro hanno 17 protoni (ciò contraddistingue gli atomi di cloro). I due isotopi però differiscono nel numero di massa A poiché hanno un diverso numero di neutroni.Per l'isotopo 35Cl si ha: N = A - Z = 35 - 17 = 18 neutroniPer l'isotopo 37Cl si ha: N = A - Z = 37 - 17 = 20 neutroni

Isotopi dell'IdrogenoL'idrogeno è una miscela di tre isotopi: prozio, deuterio, trizio.

17

Cl 37Cloro

Un po’ di numeri

La carica elettrica del nucleo è data dal numero atomico Z moltiplicato per la carica elementare e = 1,6 10∙ -19 C

Q = Z e∙In particolare, per A < 40 si ha che N ≈ Z; per nuclei più pesanti N aumenta più velocemente di Z.Tutti i nucleoni (protoni e i neutroni) subiscono indistintamente la forza nucleare attrattiva, mentre solo i protoni subiscono la forza elettrostatica repulsiva.Quando Z cresce, la stabilità del nucleo tende a diminuire a causa della repulsione coulombiana, le forze nucleari attrattive devono quindi aumentare ed è necessario un numero N di neutroni percentualmente maggiore.

L’ordine di grandezza della nuvola elettronica e quindi delle dimensioni di un atomo è di 0,1 nm (nanometro = un miliardesimo di metro = 10-9 m).Il nucleo ha un raggio variabile:

1,4 10∙ -15 m ≤ R ≤ 8,7 10∙ -15 mIl diametro del protone è di circa 1 fm (femtometro = 10-15 m = un milionesimo di nanometro). I diametri dei nuclei variano da 1 a 10 fm per gli atomi pesanti

La massa del protone è ~ 1830 volte più grande di quella dell’elettrone: eppure hanno la stessa carica elettrica - massa dell'elettrone me = 0,9 . 10-31 Kg - massa del protone mp ≈ 1 836 me

- massa del neutrone mN ≈ 1 838 me

mp = mN qp = qe

Nel nucleo dell'atomo è concentrata la gran parte della massa dell'atomo (oltre il 99%) ma esso risulta 10 000 volte più piccolo dell'atomo. Tra questo nucleo ed i lontanissimi elettroni vi è un vuoto immenso.    

nucleo

1 kmelettrone

LA STRUTTURA DELL’ATOMO Mappa concettuale

3 QUARK

CIASCUNO È FORMATO

CARICA ELETTRICA

Proprietà elettriche della materia:note fin dall’antichità (es. attrazione per strofinio); ma normalmente “nascoste” nella struttura atomica

Costituzione dell’atomo:nucleo con protoni (carica + e) e neutroni (carica 0) elettroni (carica – e) orbitanti attorno al nucleo

Carica elettrica = proprietà intrinseca della materiagrandezza fisica fondamentale (Vedi corrente elettrica)unità di misura: coulomb (C)

Proprietà fondamentali:• 3 stati di carica: positiva, negativa, neutra• sempre multipla di ±e = 1,6·10-19 C → carica elementare• si conserva (non si crea e non si distrugge,ma si separa/unisce)

FORZA DI COULOMB

Tra due corpi puntiformi di carica q1 e q2, posti a distanza r, si esercita sempre una forza di attrazione o di repulsione- diretta lungo la congiungente tra i due corpi- Proporzionale alle due cariche- inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza

Dove ε0 = 8,854 10∙ -12 C²/Nm² (costante dielettrica del vuoto)

K = 8,99 10∙ 9 Nm²/C² ≈ 9 10∙ 9 Nm²/C² (costante di Coulom nel vuoto)

r

FORZA COULOMBIANA e GRAVITAZIONALE

Analogie fra forza coulombiana e forza gravitazionale

Differenze fra forza coulombiana e forza gravitazionale

Coulombiana GravitazionaleAttrattiva o repulsiva attrattivaK = 8,99 10∙ 9 Nm²/C²(molto grande) G = 6,674 10∙ -11 Nm²/kg² (molto piccola)

- dirette lungo la congiungente tra i due corpi- proporzionale alle due cariche / alle due masse- inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza

FC = K qp qe/r² = (8,99 10∙ 9) (1,6021 10∙ ∙ -19)∙(1,6021 10∙ -19)/(10-10)² = 2,31 10∙ -8 N

La forza coulombiana è 1039 volte più grande di quella gravitazionale

Tra protone e elettrone nell’atomo

r = 10-10 m

m e = 9,1094·10-31 kgq e = 1,60210·10-19C

FG = G mp me/r² = (6,674 10∙ -11) (1,6724 10∙ ∙ -27)∙(9,1094 10∙ -31)/(10-10)² = 1,02 10∙ -47 N

m p = 1,6724·10-27 kgq p = 1,60210·10-19C

LE STRANEZZEDELL’ATOMO

Nel nucleo bisogna considerare un tipo di forza, che è molto più intensa solo a piccolissime distanze (inferiori alle dimensioni di un protone o un neutrone) e si annulla rapidamente quando queste distanze diventano maggiori o uguali alle dimensioni di un singolo nucleone (intorno ai 10-16 metri): la forza nucleare. Quindi i protoni del nucleo sono respinti tra loro dalle forze elettriche ma queste forze sono molto più piccole di quelle nucleari che invece li fanno attrarre (all'aumentare della distanza, le forze nucleari non si fanno più sentire mentre si fanno sentire le forze elettriche). Queste forze nucleari tengono insieme anche neutroni con neutroni, protoni con neutroni e neutroni con protoni..

Perché i protoni non si respingono l’un l’altro mandando all’aria l’universo intero?

Fp = K qp qp/r² = (8,99 10∙ 9) (1,6021 10∙ ∙ -19)²/(10-15)² = 231 N

Forza repulsiva tra 2 protoni

Forza attrattiva tra protone/ elettrone

Fe = 2,31 10∙ -8 N (vedere slide precedente)

Facendo il rapporto tra Fp ed Fe , otteniamo:

Risulta quindi che la forza Fp repulsiva tra i due protoni dovrebbe essere più intensa di circa 10 miliardi di volte quella Fe che tiene un elettrone legato in un atomo: i due protoni dovrebbero schizzare via come due proiettili supersonici!!!

1. Forza Nucleare Forte: 100 volte più grande di quella elettrica e agisce solo quando le particelle sono molto vicine (i protoni sono posti ad una distanza di 100 millesima parte di 1 miliardesimo di cm, essi si attaccano in modo quasi inscindibile)

2. I neutroni si dispongono tra i protoni agendo quasi da “schermo” rendendo stabile il nucleo dell’atomo

= = 1010