IL CATASTROFISTA

Teoria atomica

01 - L'atomo.

La materia è costituita da atomi. Un atomo è composto da un nucleo elettricamente carico positivamente
e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno. 

Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle
prive di carica. 

La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone ed entrambi sono circa 2000 volte più
pesanti di un elettrone. E' per questo che sono gli elettroni che ruotano attorno al nucleo (molto più pesante)
e non viceversa. Il nucleo è molto pesante e "concentrato" mentre gli elettroni sono molto leggeri e mobili.

Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni che 
costituiscono il nucleo. Essendo dette cariche di valore uguale (a parte il segno), un atomo è normalmente 
elettricamente neutro. Per questo motivo (e per fortuna, altrimenti i corpi sarebbero sbalzati in tutte le 
direzioni, essendo la forza elettrica piuttosto forte) la materia è normalmente elettricamente neutra.

La materia, anche se appare densa e "dura", è in effetti praticamente vuota. Se, facendo le proporzioni, 
consideriamo il nucleo grande come una mela, gli elettroni gli ruotano attorno ad una distanza pari a circa
un chilometro. Questo fatto è di estrema importanza e, se in qualche modo, riuscissimo ad eliminare 
tutto questo spazio, riusciremmo a "compattare" tutta la massa in uno spazio molto piccolo raggiungendo
densità enormi. Questo è ciò che succede nei buchi neri e nelle stelle di neutroni in cui, per esempio, tutta
la enorme massa di una stella viene compattata in uno spazio di pochi chilometri cubi.

Un atomo è quindi composto da un nucleo formato da nucleoni (protoni e neutroni) e da elettroni (in egual
numero dei protoni, quando l'atomo è elettricamente neutro) che gli ruotano attorno. Ogni atomo è indicato  
da una sigla e da due numeri : il numero atomico (il numero dei protoni identico al numero degli elettroni) ed 
il numero di massa (il numero dei nucleoni, ovvero dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo).
Il numero dei neutroni è dato, ovviamente, dal numero di massa - il numero atomico.

Esempio (atomo dell'elio) :

       

Un atomo può esistere in natura con un ugual numero atomico ma diverso numero di massa. Simili atomi 
sono detti isotopi ed hanno le stesse proprietà chimiche (cioè di creare composti, molecole, dalle stesse 
proprietà). Un esempio di ciò è l'atomo di idrogeno. In natura esso è presente in grande maggioranza 
formato da un protone ed un elettrone che gli ruota attorno. Vi è però, in minore quantità, anche il deuterio
che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone. Con esso si forma l'acqua pesante. Vi è anche 
il trizio (più raro) formato da un protone, due neutroni ed un elettrone. Chimicamente, idrogeno, deuterio 
e trizio hanno le stessa proprietà (in quanto hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni). Riassumendo :

       

Gli atomi esistenti un natura sono circa 90 e sono elencati in una tavola, detta tavola periodica degli elementi 
o tavola di Mendeleyev :

02 - Legami chimici

Gli atomi alla sinistra di questa tavola sono detti metalli ed hanno la proprietà di perdere elettroni diventando
ioni positivi. Gli atomi posti alla destra, invece, sono detti non metalli ed hanno la proprietà di acquistare
elettroni, cioè di diventare ioni negativi. Gli altri atomi hanno proprietà di perdere od acquistare elettroni 
in maniera meno netta. Certi atomi si possono addirittura comportare da metalli o da non metalli a seconda
dei casi.

L'attitudine che hanno gli atomi di acquistare o perdere elettroni fa si che si formino legami elettrici fra gli stessi
ed è così che si formano le molecole, i costituenti fondamentali dei composti chimici di cui è fatta la materia.

Il tipo più semplice di legame che si instaura fra gli atomi è il cosiddetto legame ionico. E' il caso del sale da 
cucina, il cloruro di sodio NaCl. In esso il sodio diventa uno ione positivo ed il cloro uno ione negativo. 
Questi ioni si attraggono elettricamente e si forma un reticolo cristallino regolare :

       

Altri tipo di legami chimici sono basati sul fatto che gli elettroni vengono condivisi dagli atomi che 
costituiscono il legame. Si tratta del legame covalente.

E' molto interessante il caso dell'acqua :

       

Gli elettroni sono condivisi dall'atomo di ossigeno e dai due atomi di idrogeno in modo asimmetrico.
Gli elettroni tendoni a stare più dalla parte dell'ossigeno e per questo motivo la molecola di acqua si 
comporta come un dipolo elettrico, ovvero un oggetto dotato di polarità elettrica.

Se immergiamo, per esempio, del sale da cucina nell'acqua, i dipoli dell'acqua scompongono il reticolo
del sale inserendosi fra gli ioni Na e Cl facendo sì che il sale si sciolga (pur mantenendosi i legami fra
sodio e cloro).

Se poi inseriamo due elettrodi nella soluzione collegati ad una batteria, si ha il fenomeno dell'elettrolisi : 
gli ioni sciolti in acqua tenderanno ad andare, rompendo i legami, verso gli elettrodi dotati di segno 
contrario.

       

Gli ioni di sodio, positivi, tenderanno ad andare verso l'elettrodo negativo, il catodo, e gli ioni di cloro, 
negativi, renderanno ad andare verso l'elettrodo positivo, l'anodo. In questo modo si rompono i legami 
chimici fra sodio e cloro ed agli elettrodi si vanno a depositare i suddetti atomi (almeno teoricamente, 
perché nella realtà le cose sono sempre più complicate, per cui, in effetti, al catodo si sviluppa idrogeno !).

03 - Gli stati della materia.

La materia si presenta in vari stati..

Se i legami elettrici fra le molecole sono forti, la materia si presenta allo stato solido e le molecole sono 
disposte in modo da formare un reticolo (che può essere regolare od irregolare (amorfo)). Le molecole 
oscilleranno così attorno a punti geometrici fissi senza allontanarsi significativamente da essi.

Se i legami elettrici fra le molecole sono meno forti, si ha lo stato liquido. In questo stato, i legami sono
meno forti rispetto allo stato solido ma sufficientemente forti da costringere il liquido (a causa della gravità) 
in un recipiente. In questo caso non si ha un reticolo e le molecole hanno la possibilità di traslare disordinatamente 
senza però abbandonare il liquido (se non in maniera sporadica (evaporazione)).

Se i legami elettrici fra le molecole sono deboli o quasi assenti, si ha lo stato gassoso. Le molecole sono
libere di muoversi ed andare in qualunque punto disponibile dello spazio.

04 - Modelli atomici.

In questo paragrafo descriviamo brevemente i modelli atomici più importanti che storicamente 
sono stati proposti.

L'ipotesi che la materia sia formata da atomi risale a Democrito (400 a.c.). Atomo, in greco,
significa "non divisibile". L'idea atomistica fu però avversata da Aristotele che, successivamente, 
divenne il filosofo "ufficiale" della chiesa. Per questo motivo dobbiamo aspettare addirittura fino 
al 1800 perché gli scienziati riprendessero in considerazione l'ipotesi atomica.

Nel 1803 Dalton spiegò i ben noti fenomeni chimici secondo i quali le sostanze sono formate dai 
loro componenti secondo rapporti ben precisi fra numeri interi, ipotizzando che la materia fosse 
costituita da atomi. 

Con la scoperta della radioattività naturale, si capì successivamente che gli atomi non erano
particelle indivisibili, essi erano composti da parti più piccole.

Nel 1898 Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo. Egli immaginò che un atomo 
fosse costituito da una sferetta di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano 
stati ancora scoperti) in cui gli elettroni negativi (da poco scoperti) erano immersi.   

       

Nel 1911 Rutherford fece un esperimento cruciale per mettere alla prova il modello di Thomson.
Bombardò un sottilissimo foglio di oro con raggi alfa (atomi di elio completamente ionizzati, ciò 
privati degli elettroni). L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non erano quasi mai 
deviati. Essi attraversavano il foglio di oro senza quasi mai esserne disturbati. Solo alcuni raggi 
alfa (1 %) erano deviati dal foglio di oro e lo erano in modo notevole (alcuni, addirittura, venivano 
completamente. respinti). 

Sulla base di questo fondamentale esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in 
cui quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata in una porzione molto piccola, il cosiddetto
nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotano attorno così come i pianeti ruotano
attorno al sole.

       

Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relative enormi. 

Il modello di Rutherford ha però un grande "difetto" che lo mette in crisi. Secondo la 
teoria elettromagnetica una carica in movimento accelerato (non in moto rettilineo uniforme)
emette onde elettromagnetiche e quindi perde energia. Per questo motivo, gli elettroni
dell'atomo di Rutherford, perché ruotano su orbite circolari, dovrebbero emettere onde 
elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, cadere nel nucleo cosa che invece non 
accade, perché gli atomi sono oggetti molto stabili (la materia appare normalmente 
stabile).

Nel 1913 Bohr propose una modifica concettuale al modello di Rutherford. Pur accettandone
l'idea di "modello planetario", postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite di "parcheggio"
fisse nelle quali non emettono né assorbono energia. Un elettrone emette od assorbe energia 
elettromagnetica sotto forma di onde elettromagnetiche solo se "salta" da un'orbita all'altra. 

Questa idea, non compatibile con le leggi della fisica classica (di Newton), si basa sulle idee della 
nascente meccanica quantistica.

Il modello di Bohr spiegava molto bene l'atomo di idrogeno ma non quelli più complessi. Sommerfeld 
propose allora una correzione al modello di Bohr secondo la quale si aveva una buona corrispondenza 
fra la teoria e le osservazioni degli spettri degli atomi (uno spettro è l'insieme delle frequenze delle
radiazioni elettromagnetiche emesse o assorbite dagli elettroni di un atomo). 

Successivamente, si pervenne ad un modello atomico più coerente ai grandi progressi che la 
meccanica quantistica nel frattempo aveva fatto.

Nel 1930 fu scoperto il neutrone per cui si pervenne presto ad un modello dell'atomo pressoché
completo in cui al centro vi è il nucleo composto di protoni (positivi) e neutroni (protoni e neutroni 
si chiamano collettivamente nucleoni) ed attorno vi ruotano gli elettroni. 

Anche l'idea di come gli elettroni ruotano attorno al nucleo venne profondamente modificata alla 
luce delle scoperte della meccanica quantistica. 

Fu abbandonato il concetto di orbita e fu introdotto il concetto di orbitale.

Secondo la meccanica quantistica un elettrone non è descrivibile in termini di traiettoria. Non 
si può quindi affermare con certezza dove un elettrone si trova in un certo istante né dove si 
troverà in un istante successivo. Si può solo conoscere la probabilità di trovare l'elettrone in 
un certo punto dello spazio.

Un orbitale non è una traiettoria in cui un elettrone (secondo le idee della fisica classica) può 
stare, è invece una "nuvoletta" di probabilità in cui si può trovare l'elettrone.

Esempi di orbitali per l'atomo di idrogeno dove maggiore luminosità significa maggiore probabilità 
di trovare l'elettrone (in sezione) :





 

Fine.