Dalla Grecia ai giorni nostri Il concetto di atomo (dal greco "atomòs", "indivisibile") trae le sue origini dalla filosofia greca e, con alterne fortune (spesso più di origine filosofica che strettamente scientifica) ha navigato attraverso i millenni. Tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo gli studiosi si convinsero che la natura era discontinua e formata di atomi e molecole. Nessuno aveva idea, però, dell’esistenza delle particelle costituenti. Il primo passo sulla strada per la verità avvenne nel 1897 con J.J. Thomson J. J. THOMSON Fisico inglese che nel 1897 scoprì l’elettrone. Joseph John Thomson osservò che in un tubo con neon con all’estremità due elettrodi collegati ad un generatore si forma una scarica elettrica proveniente dal catodo. Questi raggi catodici dovevano essere costituiti da particelle di carica negativa ovvero gli elettroni. Nel 1897 realizzò il primo modello atomico, secondo il quale l’atomo, che nel suo insieme era neutro, era costituito da una sfera il cui raggio era di circa 10-10 m. - + + - - - - + + - +- La sfera era carica positivamente ed i corpuscoli negativi erano disseminati in essa come l’uvetta nel panettone . Questo modello è infatti passato alla storia come “modello a panettone” L’esperimento di Rutherford Agli inizi del ‘900 E.Rutherford consigliò a due suoi ricercatori, H.Geiger e E.Marsden, di bombardare un sottilissimo foglio d'oro con particelle alfa (oggi sappiamo composte da due neutroni e due protoni, Rutherford sapeva solo che erano nuclei doppiamente carichi di atomi di elio e molto pesanti). I risultati furono sorprendenti! La maggior parte delle particelle passava indisturbata attraverso le lamine; una piccolissima percentuale veniva deviata; alcune addirittura rimbalzavano indietro, come se avessero colpito qualcosa di molto duro! Rutherford elaborò tra il 1908 e il 1911 il modello planetario dell’atomo. Gli elettroni ruotano, come i pianeti del sistema solare intorno al sole, intorno ad un nucleo, duro e compatto, delle dimensioni di 10-15 m ,in cui è concentrata tutta la carica positiva. Nel nucleo è concentrata la quasi totalità della massa dell’atomo. Gli oggetti sono quindi per lo più “vuoti”. Nasce così il concetto di nucleo. Critica al modello di Rutherford In base alle leggi delle elettrodinamica classica una carica accelerata (elettrone) irradia energia sotto forma di onde e.m. a spese della propria energia cinetica. L’elettrone dovrebbe quindi cadere dopo circa 10-8s sul nucleo. Il nucleo è costituito da cariche positive molto vicine che quindi si respingono per interazione coulombiana. Il nucleo dovrebbe quindi esplodere in frammenti. Nel mondo dell’estremamente piccolo la meccanica classica non era valida! indice Nel 1901 Planck passò alla teoria quantistica, secondo la quale gli atomi assorbono ed emettono radiazioni in modo discontinuo, per quanti di energia, cioè quantità di energia finita e discreta. L'energia può essere concettualmente rappresentata, come la materia, sotto forma granulare: i quanti sono appunto come granuli di energia indivisibili. Nel 1913 Bohr riprese il modello planetario, mantenendo il concetto di nucleo e introducendo due postulati: • solo un numero discreto di orbite circolari sono permesse agli elettroni che ruotano intorno al nucleo, quelle per cui mvr n h dove h è la costante di Plank e n un intero positivo 2 (quantizzazione delle orbite), •quando un elettrone si trova in una di queste orbite non irradia energia; gli elettroni possono variare la propria energia solo in seguito alla transizione tra due orbite permesse (quantizzazione dell’energia). Un elettrone di carica –e percorre , con una velocità costante, una circonferenza di raggio r (per semplicità) attorno ad un nucleo di carica + e. La forza centripeta che mantiene la carica sulla circonferenza è data da In questo caso la forza centripeta è la forza di Coulomb 2 v F ma m r c F c c e 4 r 1 2 2 0 Il quadrato della velocità di rotazione 2 e v 4 m r 2 1 0 Energia totale dell’elettrone = Energia potenziale U + energia cinetica K E tot. U K 2 e 8 r 1 e U 4 r 2 K 0 1 1 1 1 e 2 2 mv 2 4 0 r 2 0 Per strappare un elettrone di energia totale Etot. da un atomo bisogna portarlo a energia zero compiendo un lavoro = - Etot.; esso è detto ENERGIA DI LEGAME raggio rn della n-esima orbita quantizzata (Bohr) 0h n me 2 r n h costante di Planck. 2 2 I raggi delle orbite dell’elettrone di un atomo di idrogeno sono proporzionali ai quadrati dei numeri interi E n 2 e 8 r 1 0 n 4 me n 8 0 h 1 2 2 2 Il modello di Bohr venne perfezionato da Sommerfeld che introdusse delle orbite ellittiche per gli elettroni. Il principio di Heisenberg escluse la possibilità di conoscere posizione e velocità dell’elettrone contemporaneamente in un punto. Una spiegazione della discretizzazione delle orbite permesse agli elettroni venne fornita da de Broglie che estese il dualismo onda-corpuscolo della luce anche alla materia. Le orbite descritte dagli elettroni intorno al nucleo sono quelle che verificano la condizione di “onda stazionaria”. Schroedinger nel 1926 riunì in una sola equazione l’intuizione di De Broglie del dualismo onda-corpuscolo e il principio di indeterminazione di Heisenberg. Ogni elettrone è quindi descritto da un’onda, la cui ampiezza dà la probabilità di trovare l’elettrone in una data posizione intorno al nucleo. Nacquero così gli orbitali, cioè le regioni di spazio nelle quali è più elevata la probabilità di trovare l’elettrone. Sono stati introdotte altre regole di quantizzazione che, insieme a quella di Bohr, costituiscono i cosiddetti numeri quantici: 1) Numero quantico principale( n intero positivo): è quello introdotto da Bohr e determina il livello di energia posseduta dall’elettrone. 2) Numero quantico azimutale (l compreso tra 0 e n-1): venne introdotto da Sommerfield per descrivere orbite che a parità di livello di energia differiscono per la eccentricità dell’orbita stessa. I valori di l =0,l =1, l =2, l =3 corrispondono agli orbitali s, p, d, f. 3) Numero quantico magnetico m ( compreso tra -l ed l): definisce l’orientamento dell’orbitale nello spazio se un atomo si trova immerso in un campo magnetico . Non tutte le giaciture nello spazio sono consentite, ne sono consentite solo 2l +1 4) Numero quantico di spin (assume i valori +1/2 e -1/2): descrive il verso di rotazione dell’elettrone, considerato ora come un corpo esteso, attorno al proprio asse. I due elettroni presenti nell’orbitale non possono mai avere gli stessi numeri quantici per cui il loro spin deve essere opposto Questo principio è noto come principio di esclusione di Pauli e venne introdotto nel 1925. Nel 1932 il fisico Anderson notò che gli elettroni della radiazione cosmica, sottoposti all’effetto di un magnete, per metà deviavano da una parte e per il resto dalla parte opposta ; viene scoperta l’esistenza di un elettrone con carica positiva subito battezzato positrone. Il positrone è l’anti particella dell’elettrone, uguale in tutto fuorché nella carica. L’esistenza dell’antimateria era già stata prevista dal fisico inglese Paul Dirac. Quando particelle ed antiparticelle entrano in contatto fra loro, tendono a fondersi l'una con l'altra, trasformando tutta l'energia in loro possesso in radiazione elettromagnetica. Per quanto riguarda il nucleo Chadwick mostrò che questi era composto non solo da cariche positive (protoni) ma anche da particelle elettricamente neutre (neutroni), cioè prive di carica elettrica. u u d u d d Le teorie attualmente in vigore, suppongono che sia il neutrone che il protone siano costituite da quark, particelle elettricamente cariche con carica pari ad un terzo di quella dell’elettrone, mentre l’elettrone sia indivisibile. Sia il protone che il neutrone sono costituiti da due tipi di quark, quark up (quark-u) e quark down (quark-d) Si aprì una nuova fase della fisica dell’estremamente piccolo, caratterizzata dalla proliferazione delle particelle elementari. LE PARTICELLE FONDAMENTALI Adroni Particelle soggette a forza forte Protone, neutrone e altre particelle Leptoni Particelle non soggette a forza forte Elettrone , neutrino Si manifestano attraverso lo scambio di particelle chiamate bosoni. • Forza nucleare forte: tiene insieme i quark all’interno dei protoni e neutroni e i protoni e neutroni stessi all’interno del nucleo;Avviene attraverso lo scambio di bosoni detti gluoni; • Forza debole: : è responsabile di alcuni decadimenti radioattivi. Avviene attraverso lo scambio di bosoni detti W e Z0 • Forza elettromagnetica: tiene gli elettroni legati al nucleo dell’atomo ed è responsabile dei fenomeni elettrici e magnetici. Avviene attraverso lo scambio di bosoni detti fotoni; • Forza gravitazionale: tutti gli oggetti con massa interagiscono attraverso questa forza. Si pensa che avvenga attraverso lo scambio di bosoni detti gravitoni, ma non sono stati ancora osservati. Menù