L'atomo
Cultura
L'ATOMO
L'atomo e' una struttura nella quale e' normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. Piu' atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali protoni (con carica positiva), neutroni (con carica neutra) ed elettroni (con carica negativa). Era cosi chiamato perche' inizialmente considerato l'unita' piu' piccola ed indivisibile della materia. Verso la fine dell'Ottocento (con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo era in realta' divisibile, essendo a sua volta composto da particelle piu' piccole, alle quali ci si riferisce con il termine di "particelle subatomiche". La teoria atomica e' dunque la teoria fisica secondo la quale tutta la materia e' costituita da unita' elementari chiamati atomi. La teoria atomica si applica agli stati della materia solido, liquido e gassoso, mentre e' difficilmente collegabile allo stato di plasma, in cui elevati valori di pressione e temperatura impediscono la formazione di atomi. L'atomo e' composto principalmente da tre tipologie di particelle subatomiche (cioe' di dimensioni minori dell'atomo): i protoni, i neutroni e gli elettroni. In particolare: i protoni (carichi positivamente) e i neutroni (privi di carica) formano il "nucleo" (carico positivamente); protoni e neutroni sono detti quindi "nucleoni"; gli elettroni (carichi negativamente) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa (l'elettrone si dice quindi "delocalizzato"), rimanendo confinati all'interno degli orbitali (o "livelli energetici").
Esistono anche atomi costituiti da particelle differenti, detti "atomi esotici". Tali atomi hanno comunque una vita molto breve. In proporzione, se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno ad una distanza pari a circa un chilometro; un nucleone ha massa quasi 1800 volte superiore a quella di un elettrone. Avendo la stessa carica positiva, i protoni si dovrebbero respingere tra loro; cio' non avviene perche' sono tenuti insieme dalla cosiddetta forza nucleare forte.
Composizione dell'atomo
Attorno al nucleo, composto da due neutroni e due protoni ruotano gli elettroni (in giallo). Si definiscono due quantita' per identificare ogni atomo:
Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo.
Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo che, allo stato neutro, corrisponde al numero di elettroni esterni ad esso. Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico. Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita peso atomico (piu' correttamente "massa atomica"), espresso in unita' di massa atomica (o uma), dove una unita' di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C). Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo e' uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo e' normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia e' normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi o aggregati di atomi elettricamente carichi, chiamati ioni, che possono essere generati ad esempio da una dissociazione di entita' molecolari inizialmente neutre; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa. Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprieta' chimiche: si e' dunque convenuto a definirli appartenenti allo stesso elemento. Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprieta' chimiche. Ad esempio l'atomo di idrogeno ha piu' isotopi: in natura infatti esso e' presente in grande maggioranza come 1H (o Prozio, formato da un protone ed un elettrone) e in minore quantità da 2H (o deuterio, che e' formato da un protone, un neutrone ed un elettrone) e 3H (o trizio, estremamente raro, formato da un protone, due neutroni ed un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio presentano identiche proprieta'. Per avere un'idea della dimensione di un atomo, puo' essere utile confrontare tale dimensione con la dimensione di oggetti piu' grandi. Il diametro di un capello umano corrisponde a circa un milione di atomi di carbonio disposti in fila. Una goccia d'acqua contiene 2 per 1021 atomi di ossigeno e 4 per 1021 atomi di idrogeno. Se una mela diventasse della dimensione della Terra, gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale.
Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo.
Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo che, allo stato neutro, corrisponde al numero di elettroni esterni ad esso. Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico. Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita peso atomico (piu' correttamente "massa atomica"), espresso in unita' di massa atomica (o uma), dove una unita' di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C). Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo e' uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo e' normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia e' normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi o aggregati di atomi elettricamente carichi, chiamati ioni, che possono essere generati ad esempio da una dissociazione di entita' molecolari inizialmente neutre; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa. Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprieta' chimiche: si e' dunque convenuto a definirli appartenenti allo stesso elemento. Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprieta' chimiche. Ad esempio l'atomo di idrogeno ha piu' isotopi: in natura infatti esso e' presente in grande maggioranza come 1H (o Prozio, formato da un protone ed un elettrone) e in minore quantità da 2H (o deuterio, che e' formato da un protone, un neutrone ed un elettrone) e 3H (o trizio, estremamente raro, formato da un protone, due neutroni ed un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio presentano identiche proprieta'. Per avere un'idea della dimensione di un atomo, puo' essere utile confrontare tale dimensione con la dimensione di oggetti piu' grandi. Il diametro di un capello umano corrisponde a circa un milione di atomi di carbonio disposti in fila. Una goccia d'acqua contiene 2 per 1021 atomi di ossigeno e 4 per 1021 atomi di idrogeno. Se una mela diventasse della dimensione della Terra, gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale.
Il modello atomico di Bohr
Massa:
Poiche' la massa di un atomo deriva essenzialmente dai protoni e neutroni, la massa totale di tali particelle in un atomo e' chiamato peso atomico. Come unita' di massa atomica si usa la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C); tale unita' corrisponde ad un dalton (Da) e vale approssimativamente 1,66 per10-27 kg.
Dimensione atomica:
Gli atomi non hanno un contorno ben definito, in quanto la distanza degli elettroni rispetto al nucleo varia in ogni istante ed e' influenzata dalle condizioni energetiche dell'atomo, in particolare aumenta all'aumentare della temperatura e diminuisce in seguito alla formazione di un legame chimico.
Per tale ragione le dimensioni degli atomi possono essere definite in diversi modi; in particolare si utilizzano le seguenti grandezze (che sono caratteristiche per ciascun elemento chimico):
raggio atomico: e' una grandezza definita nell'ambito della meccanica quantistica e si riferisce alla condizione di "atomo libero", cioe' non legato a nessun altro atomo;
raggio covalente: corrisponde al raggio dell'atomo quando e' legato ad altri atomi e puo' essere considerato pari alla distanza tra i nuclei dei due atomi uniti dal legame chimico; tale grandezza varia a seconda del tipo di legame chimico, il numero di atomi vicini (il numero di coordinazione) e lo spin;
raggio ionico: corrisponde alla grandezza dell'atomo quando e' sotto forma di ione.
Nella tavola periodica degli elementi il raggio atomico tende ad aumentare quando ci si muove dall'alto verso il basso lungo le colonne, mentre diminuisce andando da sinistra a destra (poiche' l'aumento dei protoni nel nucleo aumenta la sua capacita' di attrazione degli elettroni orbitanti); di conseguenza l'atomo con il raggio atomico piu' piccolo e' l'atomo di elio (posizionato in alto a destra e avente raggio atomico di 49 pm), mentre uno degli atomi piu' grandi e' l'atomo di cesio (posizionato in basso a sinistra e avente raggio atomico di 334 pm). Queste dimensioni sono migliaia di volte piu' piccole della lunghezza d'onda della luce (400-700nm) e per tale ragione gli atomi non possono essere rilevati attraverso un microscopio ottico, mentre possono essere rilevati attraverso microscopi elettronici a trasmissione (TEM) o microscopi a scansione per effetto tunnel (STM).
Poiche' la massa di un atomo deriva essenzialmente dai protoni e neutroni, la massa totale di tali particelle in un atomo e' chiamato peso atomico. Come unita' di massa atomica si usa la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (12C); tale unita' corrisponde ad un dalton (Da) e vale approssimativamente 1,66 per10-27 kg.
Dimensione atomica:
Gli atomi non hanno un contorno ben definito, in quanto la distanza degli elettroni rispetto al nucleo varia in ogni istante ed e' influenzata dalle condizioni energetiche dell'atomo, in particolare aumenta all'aumentare della temperatura e diminuisce in seguito alla formazione di un legame chimico.
Per tale ragione le dimensioni degli atomi possono essere definite in diversi modi; in particolare si utilizzano le seguenti grandezze (che sono caratteristiche per ciascun elemento chimico):
raggio atomico: e' una grandezza definita nell'ambito della meccanica quantistica e si riferisce alla condizione di "atomo libero", cioe' non legato a nessun altro atomo;
raggio covalente: corrisponde al raggio dell'atomo quando e' legato ad altri atomi e puo' essere considerato pari alla distanza tra i nuclei dei due atomi uniti dal legame chimico; tale grandezza varia a seconda del tipo di legame chimico, il numero di atomi vicini (il numero di coordinazione) e lo spin;
raggio ionico: corrisponde alla grandezza dell'atomo quando e' sotto forma di ione.
Nella tavola periodica degli elementi il raggio atomico tende ad aumentare quando ci si muove dall'alto verso il basso lungo le colonne, mentre diminuisce andando da sinistra a destra (poiche' l'aumento dei protoni nel nucleo aumenta la sua capacita' di attrazione degli elettroni orbitanti); di conseguenza l'atomo con il raggio atomico piu' piccolo e' l'atomo di elio (posizionato in alto a destra e avente raggio atomico di 49 pm), mentre uno degli atomi piu' grandi e' l'atomo di cesio (posizionato in basso a sinistra e avente raggio atomico di 334 pm). Queste dimensioni sono migliaia di volte piu' piccole della lunghezza d'onda della luce (400-700nm) e per tale ragione gli atomi non possono essere rilevati attraverso un microscopio ottico, mentre possono essere rilevati attraverso microscopi elettronici a trasmissione (TEM) o microscopi a scansione per effetto tunnel (STM).