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I M ODELLI A TOMICI

I M ODELLI A TOMICI. John Dalton (1808) Joseph John THOMSON (1903) Ernest RUTHERFORD (1911) Niels Henrik BOHR (1913). Perché è importante conoscere la struttura dell’atomo?. Per comprendere e prevedere le proprietà chimiche degli elementi. Come è possibile ottenere informazioni

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I M ODELLI A TOMICI

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Presentation Transcript

  1. IMODELLI ATOMICI • John Dalton (1808) • Joseph John THOMSON (1903) • Ernest RUTHERFORD (1911) • Niels Henrik BOHR (1913)

  2. Perché è importante conoscere la struttura dell’atomo? Per comprendere e prevedere le proprietà chimiche degli elementi Come è possibile ottenere informazioni sulla struttura atomica? In base al comportamento macroscopico della materia

  3. Modello di J. Dalton (1808) • la materia costituita da particelle piccolissime indivisibili = ATOMI (Democrito 400 a.C.); • gli atomi di uno stesso elemento sono uguali; • gli atomi di elementi diversi, hanno massa e proprietà diverse; • Le trasformazioni chimiche avvengono tra atomi interi; • Atomi diversi possono combinarsi tra loro in rapporti diversi. NO L’atomo è indivisibile ?

  4. SCOPERTA delle PARTICELLE SUBATOMICHE Le particelle fondamentali: • ELETTRONE: 1897 (Thomson) • PROTONE: 1900 (Goldstein, Wien, Thomson) • NEUTRONE: 1932 (Chadwick) MA… ce ne sono molte altre ancora…

  5. Utilizzo di tubi inventati da W. Crookes: • tubi di vetro • due lamine metalliche (elettrodi) • CATODO è NEGATIVO (-) • ANODO è POSITIVO (+) • generatore di elettricità (passaggio di corrente) • gas • pompa a vuoto (per creare il vuoto o abbassare la pressione del gas)

  6. Passaggio di corrente • Bagliore caratteristico del tipo di gas • Fascio di raggi provenienti dal CATODO • A pressione bassissima (10-6 atm) luminescenza verde sul vetro RAGGI CATODICI

  7. COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Creano ombra Muovono palette

  8. COMPORTAMENTO DEI RAGGI CATODICI Sono deviati verso la piastra positiva

  9. Come vennero chiamati? RAGGI CATODICI: caratteristiche • ombra croce di Malta • movimento di un mulinello  • deviazione verso una piastra caricata positivamente  Si propagano in linea retta Sono dotati di una certa massa Hanno carica elettrica negativa • Non dipendono dal tipo di metallo costituente il catodo né dal tipo di gas utilizzato

  10. ESPERIMENTO di THOMSON (1897) • Thomson: • sottopose raggi catodici a campo elettrico e magnetico • misurò la deviazione che i raggi subivano • determinò così il valore del RAPPORTO tra la carica e la • massa delle particelle costituenti i raggi catodici (q/m) • q/m = -1,76·108 coulomb/grammi • ottenne sempre lo stesso valore indipendentemente dalla • natura del catodo e del gas utilizzato sono particelle fondamentali della materia ELETTRONI

  11. Tubo a raggi catodici di Thomson per misurare il rapporto carica/massa dell’elettrone 1 effetto della sola alta tensione (linea retta) 2 effetto del magnete (curvatura verso il basso) 3 effetto di piastre (curvatura verso la piastra positiva)

  12. IL PROTONE La materia in genere è elettricamente neutra IPOTESI Se ci sono particelle elettricamente NEGATIVE PROVE SPERIMENTALI RAGGI ANODICI o RAGGI CANALE ci saranno anche particelle elettricamente POSITIVE!!

  13. E. Goldstein: • utilizzò tubi di scarica con CATODO FORATO • ricoprì le pareti del tubo dietro al catodo con • sostanza contenente fosforo • notò che la parete del tubo dietro al catodo • diventava fluorescente RAGGI ANODICI

  14. Che cosa succedeva nel tubo di Golstein?

  15. W.Wien e Thomson: • particelle cariche positivamente • misurazione rapporto carica/massa: • la massa delle particelle non era costante, • ma variava in funzione del gas introdotto • la massa più piccola si trovò nel caso del gas H2 • (1836 volte > rispetto alla massa degli elettroni) Particella fondamentale della materia PROTONE dal greco proteios = di primaria importanza

  16. MODELLO ATOMICO di THOMSON (1903) • ATOMO = sfera omogenea • massa e carica positiva • distribuite uniformemente • corpuscoli di carica negativa in moto • inseriti all’interno in modo omogeneo Elettroni: uvetta semi ANGURIA PANETTONE

  17. Studi sulla STRUTTURA ATOMICA influenzati da Scoperta della RADIOATTIVITÀ radioattività • Henri Becquerel (1896): • sali di Uranio erano in grado di impressionare lastre fotografiche -Raggi uranici • Pierre e Marie Curie (1898) • fenomeno dei raggi uranici riguardava anche altri elementi –Torio • scoprono un nuovo elemento -Polonio • dalla pechblenda (minerale dell’Uranio) ottengono un nuovo elemento -Radio

  18. Individuati 3 tipi di radiazioni RAGGI : particelle di carica 2+ (atomi di elio senza elettroni); attraversano sottilissime lamine metalliche RAGGI : elettroni molto veloci; attraversano sottili lamine di piombo (0,005 – 0,3 mm) RAGGI : radiazioni elettromagnetiche; attraversano pareti di piombo di alcuni cm

  19. Esperimento di RUTHERFORD e collaboratori (Hans GEIGER e Ernest MARSDEN) -1911-

  20. ESPERIMENTO di RUTHERFORD & C. OSSERVAZIONI • Gran parte delle particelle  attraversava la lamina • Alcune particelle venivano deviate • Altre rimbalzavano indietro SORPRESA!! “…era quasi altrettanto incredibile di un proiettile di cannone che, sparato contro un foglio di carta, rimbalzasse e tornasse indietro a colpirvi”

  21. COMPORTAMENTO PARTICELLE  confronto tra i due modelli THOMSON RUTHERFORD

  22. CONCLUSIONI dell’ ESPERIMENTO di RUTHERFORD e collaboratori • Atomo non omogeneo • Tutta la massa e la carica positiva dell’atomo concentrate in un nocciolo piccolissimo = NUCLEO (diametro 104 – 105 volte più piccolo dell’intero atomo) • Gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo L’ATOMO, PRATICAMENTE, È VUOTO !  NUOVO MODELLO ATOMICO

  23. MODELLO ATOMICO di RUTHERFORD Atomo = SISTEMA “PLANETARIO” Nucleo =SOLE Elettroni = PIANETI

  24. IL NEUTRONE • RUTHERFORD valutò il numero di cariche positive (dalla modalità di deviazione delle particelle ) = n° protoni • n°protoni * massa del protone = massa nucleare  •  ½ massa reale •  ipotesi: esistenza nel nucleo di altre particelle senza carica elettrica ma con una massa simile al protone • CHADWICK (1932): bombardamento di berillio con particelle   emissione di particelle molto penetranti e non deviate da campi elettrici  elettricamente neutre NEUTRONI

  25. Nucleo:ProtonieNeutroni Esterno:Elettroni

  26. PROBLEMI del MODELLO PLANETARIO Le particelle cariche sono sottoposte a Forza coulombiana q1, q2: cariche r: distanza e-fermo cade sul nucleo (per la forza attrattiva) e-in movimento • Forza centripeta coulombiana m: massa v: velocità r: distanza • Forza centrifuga

  27. Forze in gioco nel modello atomico di Rutherford

  28. Secondo le leggi dell’elettromagnetismo l’e-, muovendosi lungo orbite circolari dovrebbe emettere ENERGIA in relazione al quadrato della sua velocità Energia emessa (persa) Rallentamento del moto dell’ e- L’e- non riesce a reagire alla F centripeta Cade sul nucleo

  29. Secondo le leggi della fisica classica newtoniana… gli e- precipiterebbero sul nucleo L’atomo si annullerebbe! Ma… ciò non si verifica!! Come risolvere questo problema? Elaborazione di una nuova Fisica

  30. Bisogna aprire una parentesi sulle ONDE Altro punto dolente del modello di Rutherford: Non riusciva a spiegare glispettri di emissionee diassorbimentodelle sostanze Cosa sono gli spettri?

  31. Che cosa sono le ONDE? Un’onda è una perturbazione che si propaga senza trasporto di materia onde del mare, onde di una corda tesa, onde circolari formate da sasso lanciato in H20 Le onde (o radiazioni) elettromagnetiche sono formate da oscillazioni dei campi elettrici e magnetici, perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell’onda

  32. Lunghezza d’onda: () distanza tra due creste (o valli) consecutive Frequenza: () si misura in Hertz numero di oscillazioni che avvengono nell’unità di tempo (1 secondo) Periodo: (T) È l’inverso della frequenza; è il tempo impiegato per compiere un’oscillazione completa Velocità: (v) rapporto tra  e T Ampiezza: (A) altezza di un picco

  33. Onde con  diversa e quindi con diversa  Onde con stessa , ma diversa A

  34. SPETTRO ELETTROMAGNETICO Insieme delle frequenze (o delle lunghezze d’onda) che può assumere una radiazione elettromagnetica

  35. Scomposizione della LUCE BIANCA nelle sue componenti attraverso un prisma ottico di vetro SONO I COLORI DELL’ARCOBALENO! violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancio, rosso I COLORI sono associati a precisi valori di FREQUENZE nella PORZIONE VISIBILE dello spettro elettromagnetico

  36. SPETTRO di EMISSIONE • CONTINUO: • si forma da corpi incandescenti (solidi, liquidi e gas ad alta pressione) • successione di zone colorate sfumanti con gradualità l’una nell’altra • A RIGHE: • gas a bassa p, sottoposto ad alta T o a scarica elettrica  righe colorate su sfondo nero • caratteristico per ogni elemento gassoso o reso gassoso • identificazione • SPETTRO di ASSORBIMENTOA RIGHE: • gas tra sorgente di luce e fenditura  righe nere su sfondo continuo

  37. Spettro continuo di luce bianca Esempio: SODIO Spettro diEMISSIONE Spettro di ASSORBIMENTO

  38. Gli spettri di emissione si rivelavano composti da righeben distinte  le transizioni di energia di un atomo dovevano avvenire in modo discontinuo secondo quantità discrete e non mediante una variazione graduale e continua (modello di Rutherford)

  39. QUANTIZZAZIONE DELL’ENERGIA (Max PLANCK 1900) • Si interessò del CORPO NERO (oggetto che emette radiazioni che dipendono solo dalla temperatura alla quale si trova) • L’energia non è emessa e assorbita in modo continuo, ma per piccolissime quantità finite, non frazionabili, discontinue  QUANTI o FOTONI • L’ energia di una radiazione è proporzionale alla sua frequenza h= costante di Planck (6,625·10-34 J*s)

  40. BOHR (fisico danese): • Studiò lo spettro di emissione dell’elemento più semplice, l’IDROGENO 4 righe nel visibile (arancio, blu, blu-violetto, violetto) • Utilizzò il concetto di quantizzazione dell’energia introdotto da Planck NUOVO MODELLO ATOMICO

  41. MODELLO ATOMICO di BOHR (1913) Ammette l’inadeguatezza della elettrodinamica classica a descrivere il comportamento dei sistemi atomici. Si basa su 2 postulati • I: (sullo stato stazionario) • Negli atomi gli elettroni non irradiano energia perché • si muovono lungo orbite circolari ben determinate, • ORBITE STAZIONARIE, a ciascuna delle quali • corrisponde una definita quantità di energia, LIVELLO • ENERGETICO • II: (sullo stato eccitato) • Si verificano emissioni di energia (rad.elettromagnetiche) • solo quando un e- passa da un livello energetico iniziale a • uno finale ad energia inferiore

  42. Assorbimento di energia Emissione di energia

  43. Bohr: • calcolò i raggi delle orbite dell’e- dell’idrogenodove a0 = 0,5291 Å • calcolò energia dell’e- r = a0 n2 K = costante combinata (massa e carica e-, h) n = numero intero positivo • cercò di estendere il modello ad atomi poli-elettronici • definì il numero massimo di livelli energetici possibili • 7, indicati con lettere maiuscole (K,L,M,N,O,P,Q)

  44. ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DI ENERGIA NELL’ATOMO DI IDROGENO Per n=1  valore di energia più basso (più negativo)  prima orbita  distanza minima dal nucleo  l’e- non cade sul nucleo! Per n>1 (2,3,4,…)  l’energia aumenta (meno negativa)

  45. Modello atomico di Bohr • Successo •  previsione frequenza righe spettrali dell’idrogeno (un solo e-) • Fallimento • non adatto a spiegare il comportamento di atomi con più e- (interazioni) MERITO: Molte nuove idee (numero quantico, livelli discreti di energia, salti quantici tra livelli) importanti per lo sviluppo di una nuova teoria  meccanica quantistica

  46. LIVELLI ENERGETICI DELL’ATOMO DI H • In seguito ad opportuna eccitazione di una numerosa popolazione di atomi, i livelli energetici risulteranno statisticamente tutti popolati. Il ritorno graduale al livello fondamentale, anche mediante ritorni a livelli intermedi eccitati, produce lo spettro a righe caratteristico dell'atomo di idrogeno. Con uno spettroscopio ottico sarà possibile vedere solo le righe derivanti dal ritorno al primo livello energetico eccitato (n=2) e che ricadono nel visibile (serie di Balmer).

  47. SERIE SPETTROSCOPICHE DELL’H • Le osservazioni sperimentali erano quanto mai soddisfacenti. La posizione delle righe osservate con la strumentazione allora esistente era perfettamente in accordo con il modello atomico proposto da Bohr. Spettro a righe nella zona visibile per l'idrogeno (serie di Balmer) posto su due righe per motivi di spazio orizzontale

  48. SAGGI ALLA FIAMMA

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