STORIA ANTICA
600 a.C. Teoria di Talete
400 a.C. Teoria di Democrito
300 a.C. Teoria di Aristotele
Medioevo: domina la teoria di Aristotele
Rinascimento: si riscopre la teoria di Democrito
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1
TALETE
Filosofo greco del’ 600 a.C..
Fu uno dei primia
teorizzarel’origine della
materia.
Egli sosteneva che: la materia
traesse origine dall’acqua, la
quale solidificando diventava
terra ed evaporando
diventava aria.
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2
DEMOCRITO
Filosofo greco (460 – 370 a.C.). Con democrito nasce la teoria
atomica della materia. Intuisce che la materia è formata da
piccolissime particelle che lui chiama atomi.
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3
ARISTOTELE
Filosofo greco, negava l’esistenza del vuoto
per cui attribuiva a tutti gli elementi una
natura materiale.
Aristotele negava l’esistenza degli atomi
ritenendo la materia costituita da:
terra, acqua, fuoco e aria
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4
STORIA MODERNA
1789: Legge di Lavoisier ( nasce la chimica moderna)
1794: Legge di Proust
1803: Teoria di Dalton
1854: Scoperta del raggio catodico
1869: Tavola periodica ( Mendeleev )
1886: Scoperta del protone (Goldstein)
1897: teoria atomica di Thomson
1900: Sviluppo della teoria Quantistica ( Plank )
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5
L’Atomo di Dalton
La comprensione moderna della materia non è emersa fino al
1806 quando John Dalton presentò la sua “teoria atomica”:

Ciascun elemento chimico è composto di atomi.

Gli atomi di un dato elemento sono tutti uguali ed hanno tutti
la stessa massa.

Atomi di diversi elementi sono diversi.

Durante una reazione chimica gli atomi coinvolti non si
creano nè si distruggono.

I composti chimici si formano quando atomi di 2 o più
elementi si combinano insieme.
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Legge delle Proporzioni Multiple
Quando due elementi si combinano per dare più di un
composto, mantenendo costanti le quantità in massa dell’uno,
le quantità in massa dell’altro stanno in un rapporto espresso
da numeri interi e piccoli
Acqua (H2O):
Acqua Ossigenata (Perossido
di Idrogeno H2O2):
8 g ossigeno
1 g idrogeno
16 g ossigeno
1 g idrogeno
L’acqua ossigenata deve contenere il doppio della quantità di
ossigeno contenuta nell’acqua, in quanto non si possono
aggiungere parti di atomo ma solo multipli interi di essi.
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7
Legge delle proporzioni multiple
Atomi del tipo X
Atomi del tipo Y
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Composto con gli elementi
XeY
8
La natura elettrica della materia



E’ noto, fin dall’antichità, che una bacchetta di ambra,
strofinata con una pelle di pecora, acquista la
capacità di attirare frammenti di pelo e di altri
materiali.
“Elektron” è il nome che gli antichi greci davano
all’ambra, sostanza che, strofinata, poteva attirare la
paglia.
“Elettricità” è il nome con il quale noi, oggi,
indichiamo tutti i fenomeni attribuibili all’esistenza di
cariche elettriche nella materia.
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9
Esperimenti di elettrostatica nei
salotti aristocratici del ‘700

Un giovanetto, sospeso con
una corda, viene
elettrizzato attraverso i
piedi e, con la mano, è in
grado di attrarre piccoli
pezzetti di carta
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10
Nel XVIII secolo Franklin immaginava
la materia come una spugna:
Benjamin Franklin
 quando si strofina una bacchetta
1700-1790
di vetro con un panno di seta, una
parte di elettricità si trasferisce
dalla seta (-) la vetro(+) ;
 quando si strofina una bacchetta
d’ambra con un panno di lana,
l’elettricità si trasferisce dall’ambra
(-) alla lana (+)
 La quantità di elettricità (positiva o
negativa) di un corpo venne da lui
chiamata "carica".
 Franklin avanzò anche l'ipotesi
fondamentale secondo cui la
carica non viene ne creata ne
distrutta, solo trasferita.
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11
1855 Geisler costruì le prime pompe a
mercurio e i primi tubi in vetro resistenti
a pressioni interne = a 1/10 000 della
pressione atmosferica


nel 1855 Geissler inventò la prima
pompa a vuoto al mercurio.
Essa permise di ottenere pressioni
di 0.01 mmHg.(più tardi questa
pompa contribuirà al successo
della prima lampada ad
incandescenza di Edison 1879).
Heinrich Geissler (1814-1879), figlio di un soffiatore di vetro, continuò il
lavoro del padre unendo ad esso un grande interesse per le scienze naturali
sperimentali.
 fu così che inserendo due elettrodi (+) e (-), collegati a un rocchetto di

Ruhmkorff
in
un tubo ad aria rarefatta osservò che alle scariche elettriche subentravano
fenomeni di differente luminosità
in relazione alla pressione del gas 12
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interno al tubo
I tubi di geissler
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L’utilizzo del “tubo di Crookes” (1897) permise di
scoprire gli elettroni .
Si tratta di un tubo di vetro resistente, alle estremità
del quale sono applicati due elettrodi, collegati al
polo positivo e al polo negativo di un generatore di
corrente.
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Verifichiamo anche noi in laboratorio:
In condizioni di d.d.p dell’ordine di 10 000 Volt si può osservare all’interno del
tubo l’emissione di “raggi” luminosi che, partendo dal catodo, si dirigono verso
l’anodo,
All’aumentare della rarefazione del gas contenuto nel tubo si osserva, dapprima
un raddrizzamento del raggio, poi la sua scomparsa accompagnata dalla
comparsa di una tenue luminosità sul vetro opposto al catodo.
anodo
catodo
+
CATODO
ANODO
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15
Per ottenere
d.d.p.
periodiche di
alcune
migliaia di
Volt usiamo il
rocchetto di
Ruhmkorff
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Scarica nell’aria a pressione atmosferica normale
Interruttore elettrolitico
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Scarica elettrica nell’aria rarefatta
Pompa per estrarre aria da
tubi vari
Tubo dal quale si può estrarre aria e
ottenere
la scarica elettrica
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Scarica nell’aria a pressione normale: distanza elettrodi 3
cm
Scarica nel gas rarefatto:diventa
luminoso:distanza 30 cm
Gas rarefatto
aria
rocchetto
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Scarica nell’aria a pressione normale:distanza elettrodi 3 cm
Gas rarefatto
aria
Pompa per vuoto
rocchetto
Scarica nel gas rarefatto:diventa luminoso:distanza 30 cm
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Scarica nell’aria a pressione normale:distanza elettrodi 3 cm
Gas rarefatto
aria
rocchetto
Scarica nel gas rarefatto:diventa luminoso:distanza 30 cm
Tubi di Geissler a luminescenza
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gli studi sulle sacariche elettriche nei gas
rarefatti continuarono negli anni
successivi ad opera di Julius Plucker
(1801-1868).
i suoi studi principali riguardarono
 la spettroscopia
 e le scariche elettriche nei gas rarefatti.





Egli osservò che le linee spettrali dei gas contenuti in tubi di vetro e
sottoposti a d.d.p. erano caratteristiche per ogni sostanza chimica,
Per quanto riguarda le scariche elettriche nei gas rarefatti, Plucker osservò
che, avvicinando un magnete al tubo di scarica, cambiava la posizione del
bagliore sulle pareti. Dedusse che la scarica veniva deviata dai campi
magnetici.
I suoi esperimenti più importanti furono però quelli che lo portarono ad
osservare che la luminescenza che si produceva cambiava a seconda del
vuoto che era stato fatto.
Abbassando la pressione del gas all'interno del tubo diminuiva la
luminescenza nel tubo, mentre il vetro opposto al catodo emanava una
luce verdastra.
Era come se il catodo emettesse
qualcosa che raggiungeva la parte 22
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opposta al catodo.
Gli studi di Plucker sulle scariche
elettriche nei gas rarefatti furono
continuati da un suo allievo
J.W. Hittorf (1824-1914) che,
utilizzando la pompa di Sprengel,
riuscì ad ottenere pressioni
inferiori a 0.001 mbar.
Egli pose all'interno dei tubi a
vuoto degli ostacoli solidi.
Osservò che questi corpi
gettavano un'ombra nella parete
del tubo opposta al catodo.



1869
Hittorf
tubo di Crookes con croce di Malta:
Arrivò cosi ad affermare che ciò che il catodo emetteva si
comportava in modo simile ai raggi luminosi e si propagava in
linea retta. Si cominciano cosi ad affermare tra gli studiosi della
radiazione catodica due diverse interpretazioni dei fenomeni
osservati: una interpretazione corpuscolare e una
ondulatoria.
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23

Al rocchetto
Scala di Cross
Serie di tubi con aria
rarefatta in grado
crescente
se collegati al rocchetto
si ottengono scariche
e colorazioni diverse in
funzione anche della
natura dei gas contenuti
Al rocchetto
Rarefazione crescente
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24
Rarefazione crescente
catodo
Applicando
lo stesso
potenziale
a tubi contenenti
aria
con vuoto
crescente
si osservano
aspetti e
colori vari
alla fine
appare vetro
verdastro per
effetto
dell’urto dei
raggi
catodici
anodo
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Scarica nell’aria a pressione normale:distanza elettrodi 3 cm
Raggi X
catodo
anodo
aria
Raggi X
rocchetto
Scarica nel tubo a vuoto:(Crookes) :i raggi catodici colpiscono il
vetro che diventa verdastro ed emette raggi X
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26
William Crookes (1875 ).

Sostenitore della teoria
corpuscolare della radiazione catodica
ideò una molteplicità di tubi a vuoto, tra
questi va ricordato il tubo di Crookes con
mulinello:


all'interno di un tubo a vuoto
era stato posto un mulinello a
pale libero di muoversi lungo
due rotaie.
Applicando una differenza di
potenziale agli elettrodi si
notava che il mulinello,
colpito dalla radiazione
catodica, cominciava a girare
Tubo
a vuoto con mulinello
i raggi emessi sono formati da
particelle con una certa massa
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27
rocchetto
Tubo con aria rarefatta: se collegato al rocchetto il
mulinello colpito
dalle radiazioni entra in movimento
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28
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29
Applicando la stessa tensione a tubi con gas diversi e stessa densità, si
osservano colori diversi per ogni gas o vapore contenuto
neon
elio
Ne-A-Hg
argon
Tubi luminescenti
trasparenti, con gas
di varia natura:
colore in funzione
di gas presente
Neon:rosso
neon-Ar-Hg:bleu
elio:gialla
argon:verde
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Tubi fluorescenti: contengono argon, mercurio vaporizzato:i gas
colpiti dalla scarica emettono radiazione che viene assorbita da
particolari pigmenti (fosfori) usati per opacizzare il vetro trasparente:
tali sostanze a loro volta emettono luce con la frequenza desiderata:
es.luce bianca
Tubo trasparente-colore rosso
Tubo con fosfori:colore bianco
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31
1876 Goldstein

Goldstein decise di dare il nome di "raggi
catodici" alla radiazione emessa dal catodo.
utilizzando tubi a vuoto
contenenti più elettrodi,
mostrò che la radiazione
era indipendente dalla
posizione dell'anodo e
che essa veniva emessa
in direzione
perpendicolare alla
superficie del catodo.

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32
1897 Thomson chiamò elettroni le “particelle” del raggio
catodico ed elaborò un primo modello atomico
contenente cariche elettriche
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33
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico
extra
 Aggiungendo un campo elettrico extra…
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34
Esperimento di Thomson
Generatore
di tensione
+
Campo elettrico extra

… il raggio devia verso l’elettrodo
positivo  dunque le particelle che lo
compongono hanno carica negativa
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35
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36
Thomson calcolò il rapporto carica/massa
dell’elettrone = 1,759 x108 c/g.
Deflessione magnetica = Campo magnetico x velocità
Deflessione elettrica
Campo elettrico
Thomson applicò ai raggi campi elettrici e campi magnetici di intensità
note e misurò l’entità della deflessione dei raggi;
ponendo a confronto i
valori ottenuti da un certo
numero di prove, riuscì a
calcolare la velocità degli
elettroni. Poi
considerando la velocità
come una grandezza
nota, poté, da una delle
due formule, determinare
il rapporto carica/massa/
catodo
Anodo forato
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37
Joseph.John.Thomson arrivò a
concludere che: gli elettroni sono i
costituenti fondamentali della materia.
Conferme successive:
- effetto fotoelettrico
(Einstein 1905),
- effetto termoionico,
- raggi β.

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38
Millikan misura la carica dell'elettrone
(1908-1909) e riceve il premio Nobel nel 1023

Per misurare la carica di un elettrone, Millikan studia il
modo in cui si muovono piccole particelle elettricamente
cariche fra due piastre metalliche parallele caricate una
positivamente e l’altra negativamente tramite una batteria.
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39
Quantizzazione della
carica elettrica:
esperimento di Millikan
Gocce di olio cariche elettricamente
vengono fatte cadere in presenza
di un campo elettrico.
Dalla massa nota delle goccioline e
dal voltaggio applicato per
mantenere ferme le gocce cariche
si può calcolare la carica presente
sulle gocce.
tutte le cariche elettriche sono
multiple di una carica elementare
minima che viene assunta come
carica dell'elettrone.
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e=1,602 10-19 C (coulomb)
40

Il dispositivo costruito da Millikan è formato da un condensatore
tra le cui piastre vengono spruzzate per mezzo di un
polverizzatore delle gocce di olio
Pompa a
vuoto
polverizzatore
microscopio
condensatore
maria teresa renzi
41



Scelta una gocciolina se ne può misurare la velocità di deriva (a condensatore scarico)
dovuta all'equilibrio fra la forza di gravità e quella di attrito viscoso con l'aria della
camera.
La gocciolina possiede delle cariche elettriche superficiali, indotte dallo sfregamento
con il condotto che la immette nella camera (in alternativa le goccioline possono essere
elettrizzate anche per esposizione a radiazioni ionizzanti).
Applicando una differenza di potenziale alle armature del condensatore si può allora
esercitare una forza elettrica sulla goccia in modo da fermarla.
•Ripetendo
l’esperienza più
volte e con diverse
gocce, si osserva
che valori del
campo elettrico
che fermano le
gocce sono tutti
multipli di un
valore unico,
appunto
proporzionale alla
carica
dell'elettrone.
maria teresa renzi
42














Consideriamo le forze a cui è soggetta la goccia:
forza peso: F = m g
forza di attrito viscoso con l'aria: F = 6ρηvR
forza elettrostatica: F = q ·V/d
m = massa della goccia,
g = accelerazione di gravità,
q = carica sulla goccia,
V = potenziale elettrico,
d = distanza tra le armature del condensatore,
η = coefficiente di viscosità dell'aria,
R = raggio della goccia,
v = velocità della goccia,
ρ = densità della goccia.
Se si applica un’opportuna differenza di potenziale V tra le
armature del condensatore, tale che la forza elettrica eguagli la
forza peso, la gocciolina resta
sospesa
in equilibrio.
maria teresa
renzi
43
Durante il processo di spruzzamento le gocce si caricano ( + e -) per
strofinio.
1° parte = piastre non caricate
la goccia, dopo un piccolo intervallo
di tempo di moto accelerato, raggiunge una velocità di regime costante
perché mg è equilibrata dalla forza dovuta alla resistenza dell’aria
2° = piastre caricate in
modo che la forza
elettrica del campo faccia
equilibrio alla mg,
EQ = mg
La goccia rallenta e si
arresta a causa della
resistenza dell’aria
maria teresa renzi
44

3° parte = piastre caricate invertendo la polarità.
EQ = 2mg
La velocità a regime è il doppio di quella che si ha in assenza
di campo elettrico.

la velocità a regime è direttamente proporzionale alla
forza risultante.
4° parte = si regola la d.d.p. e si fa variare la carica delle gocce
con i raggi x
La velocità a regime è direttamente proporzionale alla
variazione di carica ( Dq)
Le velocità misurate sono tutte multiplo di una stesso valore
tutte le cariche sono multipli interi di una carica
elementare non frazionabile = 1,6x10 -19 C
 La carica elementare coincide con la carica dell’elettrone


Nota la carica è stata calcolata la massa
dell’elettrone = 9,11x10maria–28
g
teresa renzi
45
1886 Goldstein
(osservazione dei raggi canale e scoperta dei protoni).
Il tubo di scarica venne modificato spostando il catodo,
opportunamente forato, e ponendo all’interno un gas.
atomo neutro
+ ione positivo
rivelatore catodo forato
elettrone
anodo
+
+
+
+
+
+
-
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46
maria teresa renzi
47


1886 Goldstein scopre
i raggi canale
1898 Wien calcola il
rapporto carica/massa
del raggio canale e
scopre che varia al
variare del gas
maria teresa renzi
48
Modello atomico di Thomson
maria teresa renzi
49
Atomo di Thomson
Fatti sperimentali salienti:
 Scoperta dell’elettrone.
 Insuccesso nella scoperta
di un’analoga carica
positiva.
 Neutralità elettrica
dell’atomo
elettroni
Carica positiva
Modello a “panettone”
dell’atomo
maria teresa renzi
50
“pezzi” mancanti nel puzzle
atomico
Oggigiorno sappiamo che un atomo, oltre agli
elettroni contiene anche:
 Protoni – carichi positivamente e 1837 volte
più massicci degli elettroni.
 Neutroni – neutri ma con all’incicrca la stessa
massa dei protoni.
Ma dove si trovano?
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51
1896 Bequerelle scopre la radioattività dei sali di
uranio
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52
1899 i Curie scoprono
la radioattività del
radio e del polonio
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53
Esperimento di Rutherford





Ernest Rutherford fisico inglese. (1910)
Partì dall’assunzione che il modello di Thomson fosse
corretto.
Provò a misurare l’estensione spaziale di un atomo.
Utilizzò la “radioattività”, cioè particelle , cariche
positivamente, rilasciate dall’Uranio.
Rutherford le usò come “proiettili”, sparandoli contro
una lamina d’oro, usata come bersaglio, sottilissima,
spessa solo qualche strato atomico, e verificando il loro
punto di impatto su di uno schermo fluorescente.
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54
Rutherford bombarda con un fascio di
particelle un sottile foglio d’oro
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55
Esperimento di Rutherford
blocco di
piombo
schermo fluorescente
Uranio
lamina d’oro
setup sperimentale
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56
Ciò che Rutherford si aspettava
era che:


Le particelle  passassero attraverso la lamina senza
deviare apprezzabilmente dalla loro traiettoria.
Perchè
le cariche positive erano distribuite uniformemente in
tutto il volume atomico.
In poche parole, secondo Rutherford,
l’esperimento avrebbe dovuto
svolgersi così:
maria teresa renzi
57
Perchè …
maria teresa renzi
58
Perchè, secondo il modello di Thomson dell’Atomo la
massa dell’atomo (regione verde) carica positivamente
doveva essere distribuita uniformemente all’interno
del volume atomico.
maria teresa renzi
59
“Bombardando” più atomi di oro
doveva succedere qualcosa di
simile …
maria teresa renzi
60
invece, Rutherford osservò
che …
maria teresa renzi
61
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62
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63
Spiegazione di Rutherford del risultato
sperimentale ottenuto:
 l’atomo risulta praticamente vuoto;
 Contiene, nel centro, un pezzettino di materia
(nucleo), molto denso e dotato di carica elettrica
positiva, in cui è concentrata +l’intera massa;
 Le particelle  (cariche positivamente) se si
avvicinano abbastanza al nucleo vengono
deviate in modo sostanziale.
maria teresa renzi
64
Infatti
+
maria teresa renzi
65
L’Atomo e la sua Densità
La maggior parte delle particelle  , cariche +,
passano indisturbate: perciò, la quasi totalità del
volume dell’atomo deve essere praticamente vuota.
 Le deviazioni dei proiettili incidenti, quando
avvengono, sono significative:
perciò l’atomo deve contenere un pezzo di materia
carico positivamente, piccolo e massiccio.
Conclusioni :
 volume piccolo, massa elevata e, quindi, elevata
densità.
 Rutherford aveva scoperto il nucleo dell’atomo.

maria teresa renzi
66
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67
maria teresa renzi
68
Un nucleo atomico è caratterizzato da:
•numero atomico (Z) che indica il numero di protoni
•numero di massa (A) che rappresenta il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo atomico.
Se indichiamo con N il numero di neutroni, possiamo scrivere: A=N+Z.
A
Z
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XN
69
ISOBARI
Nuclidi con eguale numero di massa A

ISOTOPI
Nuclidi con eguale numero atomico Z

ISOTONI
Nuclidi con eguale numero di neutroni N

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70