LA STRUTTURA
DELL’ATOMO
L’atomo è formato da una parte
centrale, detta nucleo, con
elettroni orbitanti.
Il nucleo è composto da protoni
e neutroni (particelle subatomiche).
I NUCLEONI (protoni e neutroni)
sono costituiti da particelle
fondamentali : i quark
Solo i quark di prima generazione
(up
e
down)
esistono
spontaneamente in natura.
I quark up e down si combinano
tra loro in gruppi di tre quark per
protone e neutrone.
Il protone è formato da due
quark up e un down con carica
totale di +1.
Un neutrone, invece, è formato
da due quark down e un quark
up, che danno carica totale pari a
zero.
ELETTRONI
Carica negativa
Orbitale
NUCLEO
Nessuna carica
Carica positiva
NEUTRONI
PROTONI
Up quark
Carica + ⅔
Down quark
Carica (- ⅓ - ⅓ + ⅔) = 0
Carica - ⅓
Carica (+ ⅔ + ⅔ - ⅓ ) = 1
LA STRUTTURA
DELL’ATOMO
Numero atomico
Il numero atomico Z indica
il
numero di protoni (p+)
presenti nel nucleo.
Numero di massa
Il
numero
di
massa
A corrisponde invece alla somma
tra protoni e neutroni presenti
nel nucleo protoni e neutroni
sono indicati complessivamente
con il termine di nucleoni).
Il numero di neutroni N si calcola
applicando la seguente formula:
N=A–Z
Le proprietà chimiche di un
elemento dipendono solo dal
numero dei protoni. Aumentare
il numero dei neutroni di un
nucleo, non cambia in alcun
modo le proprietà chimiche del
rispettivo atomo.
Carica positiva
Nessuna carica
PROTONI
NUCLEO
NEUTRONI
Quark
Quark
ELETTRONI
Carica negativa
NUMERO ATOMICO
SIMBOLO CHIMICO
O
8
Numero dei protoni
Ossigeno NOME ELEMENTO
16
MASSA ATOMICA
Numero dei protoni
e dei neutroni
NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI
NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI
MASSA ATOMICA
NUMERO ATOMICO
Trovare una bilancia in grado di
pesare un atomo è impensabile
perché i valori son molto piccoli
perciò si usa la massa relativa,
cioè masse atomiche che sono
rapportate ad una grandezza di
riferimento.
L’atomo che viene scelto come
riferimento
è
quello
del
Carbonio-12 (1,99∙10-26 kg).
L’unità scelta non è l’atomo
intero, ma la sua 12 esima parte ,
che corrisponde circa a 1,66∙10-27
kg. Tale unità viene chiamata
unità di massa atomica (uma)
(oppure dalton).
La massa atomica relativa di un
elemento indica quante volte la
massa di un atomo è maggiore
rispetto a un dodicesimo della
massa del carbonio-12.
SIMBOLO CHIMICO
O
8
Numero dei protoni
Ossigeno NOME ELEMENTO
16
MASSA ATOMICA
Numero dei protoni
e dei neutroni
L’Ossigeno ha massa atomica 16 u: non significa che pesa 16 g
ma che la sua massa è 16 volte più grande di quella dodicesima
parte del C12
Massa molecolare relativa
La massa di una molecola, detta massa molecolare, è uguale
alla somma delle masse di tutti gli atomi che compongono la
molecola.
Vediamo come eseguire il calcolo della massa molecolare di
CH3CH2Cl
2 atomi di C = 2 · 12,01 = 24,02 uma
5 atomi di H = 5 · 1,01 = 5,05 uma
1 atomi di Cl = 1 · 35,45 = 35,45 uma
--------------massa molecolare = 64,52 uma
ISOTOPI
Il termine isotopo deriva dal
greco che significa “stesso
posto”. Gli isotopi di un elemento
chimico, infatti, hanno lo stesso
numero atomico Z (stesso
numero di protoni) e quindi
occupano lo stesso posto nella
tavola
periodica,
ma
un
differente numero di neutroni N.
Inoltre, pur avendo masse
differenti, non differiscono nel
loro comportamento chimico,
perché hanno lo stesso numero
di protoni e quindi lo stesso
numero di elettroni.
La maggior parte degli elementi
ha isotopi stabili e radioattivi a
partire dal numero atomico 84,
ossia il polonio.
Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi che vengono
così rappresentati:
17
Cl
Cloro
35
17
Cl
Cloro
37
Entrambi gli atomi di cloro hanno 17 protoni (ciò
contraddistingue gli atomi di cloro). I due isotopi però
differiscono nel numero di massa A poiché hanno un diverso
numero di neutroni.
Per l'isotopo 35Cl si ha: N = A - Z = 35 - 17 = 18 neutroni
Per l'isotopo 37Cl si ha: N = A - Z = 37 - 17 = 20 neutroni
Isotopi dell'Idrogeno
L'idrogeno è una miscela di tre isotopi: prozio, deuterio, trizio.
Un po’ di numeri
La carica elettrica del nucleo è data dal
numero atomico Z moltiplicato per la
carica elementare e = 1,6∙10-19 C
Q = Z∙e
In particolare, per A < 40 si ha che N ≈
Z; per nuclei più pesanti N aumenta
più velocemente di Z.
Tutti i nucleoni (protoni e i neutroni)
subiscono indistintamente la forza
nucleare attrattiva, mentre solo i
protoni
subiscono
la
forza
elettrostatica repulsiva.
Quando Z cresce, la stabilità del
nucleo tende a diminuire a causa della
repulsione coulombiana, le forze
nucleari attrattive devono quindi
aumentare ed è necessario un numero
N di neutroni percentualmente
maggiore.
L’ordine di grandezza della nuvola elettronica e quindi delle
dimensioni di un atomo è di 0,1 nm (nanometro = un
miliardesimo di metro = 10-9 m).
Il nucleo ha un raggio variabile:
1,4∙10-15 m ≤ R ≤ 8,7∙10-15 m
Il diametro del protone è di circa 1 fm (femtometro = 10-15 m
= un milionesimo di nanometro). I diametri dei nuclei variano
da 1 a 10 fm per gli atomi pesanti
La massa del protone è ~ 1830 volte più grande di quella
dell’elettrone: eppure hanno la stessa carica elettrica
- massa dell'elettrone
me = 0,9 . 10-31 Kg
- massa del protone
mp ≈ 1 836 me
- massa del neutrone
mN ≈ 1 838 me
mp = mN
qp = qe
Nel nucleo dell'atomo è concentrata la gran parte della
massa dell'atomo (oltre il 99%) ma esso risulta 10 000 volte
più piccolo dell'atomo. Tra questo nucleo ed i lontanissimi
elettroni vi è un vuoto immenso.
nucleo
1 km
elettrone
LA STRUTTURA
DELL’ATOMO
CIASCUNO È
FORMATO
3 QUARK
Mappa concettuale
CARICA ELETTRICA
Proprietà elettriche della materia:
note fin dall’antichità (es. attrazione per
strofinio); ma normalmente “nascoste”
nella struttura atomica
Costituzione dell’atomo:
nucleo con protoni (carica + e) e neutroni (carica 0)
elettroni (carica – e) orbitanti attorno al nucleo
Carica elettrica = proprietà intrinseca della materia
grandezza fisica fondamentale (Vedi corrente elettrica)
unità di misura: coulomb (C)
Proprietà fondamentali:
• 3 stati di carica: positiva, negativa, neutra
• sempre multipla di ±e = 1,6·10-19 C → carica elementare
• si conserva (non si crea e non si distrugge,ma si separa/unisce)
FORZA DI
COULOMB
Tra due corpi puntiformi di
carica q1 e q2, posti a distanza
r, si esercita sempre una forza
di attrazione o di repulsione
- diretta lungo la congiungente
tra i due corpi
- Proporzionale alle due
cariche
- inversamente proporzionale
al quadrato della loro distanza
r
Dove
ε0 = 8,854 ∙ 10-12 C²/Nm² (costante dielettrica del vuoto)
K = 8,99 ∙ 109 Nm²/C² ≈ 9 ∙ 109 Nm²/C²
(costante di Coulom nel vuoto)
FORZA COULOMBIANA
e GRAVITAZIONALE
m p = 1,6724·10-27 kg
q p = 1,60210·10-19C
r = 10-10 m
Analogie fra forza coulombiana e forza gravitazionale
- dirette lungo la congiungente tra i due corpi
- proporzionale alle due cariche / alle due masse
- inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza
m e = 9,1094·10-31 kg
q e = 1,60210·10-19C
Differenze fra forza coulombiana e forza gravitazionale
Coulombiana
Attrattiva o repulsiva
K = 8,99 ∙ 109 Nm²/C²(molto grande)
Gravitazionale
attrattiva
G = 6,674 ∙ 10-11 Nm²/kg² (molto piccola)
Tra protone e elettrone nell’atomo
FG = G mp me/r² = (6,674∙10-11)∙(1,6724∙10-27)∙(9,1094∙10-31)/(10-10)² = 1,02 ∙ 10-47 N
FC = K qp qe/r² = (8,99∙109)∙(1,6021∙10-19)∙(1,6021∙10-19)/(10-10)² = 2,31∙ 10-8 N
La forza coulombiana è 1039 volte più grande di quella gravitazionale
LE STRANEZZE
DELL’ATOMO
Nel nucleo bisogna considerare
un tipo di forza, che è molto più
intensa solo a piccolissime
distanze (inferiori alle dimensioni
di un protone o un neutrone) e si
annulla rapidamente quando
queste
distanze
diventano
maggiori o uguali alle dimensioni
di un singolo nucleone (intorno ai
10-16 metri): la forza nucleare.
Quindi i protoni del nucleo sono
respinti tra loro dalle forze
elettriche ma queste forze sono
molto
più piccole di quelle
nucleari che invece li fanno
attrarre (all'aumentare della
distanza, le forze nucleari non si
fanno più sentire mentre si fanno
sentire le forze elettriche).
Queste forze nucleari tengono
insieme anche neutroni con
neutroni, protoni con neutroni e
neutroni con protoni..
Forza repulsiva tra 2 protoni
Fp = K qp qp/r² = (8,99∙109)∙(1,6021∙10-19)²/(10-15)² = 231 N
Forza attrattiva tra protone/ elettrone
Fe = 2,31∙ 10-8 N (vedere slide precedente)
Facendo il rapporto tra Fp ed Fe , otteniamo:
=
= 1010
Risulta quindi che la forza Fp repulsiva tra i due protoni dovrebbe
essere più intensa di circa 10 miliardi di volte quella Fe che tiene un
elettrone legato in un atomo: i due protoni dovrebbero schizzare
via come due proiettili supersonici!!!

Perché i protoni non si respingono l’un l’altro mandando
all’aria l’universo intero?
1. Forza Nucleare Forte:  100 volte più grande di quella
elettrica e agisce solo quando le particelle sono molto
vicine (i protoni sono posti ad una distanza di 100
millesima parte di 1 miliardesimo di cm, essi si attaccano
in modo quasi inscindibile)
2. I neutroni si dispongono tra i protoni agendo quasi da
“schermo” rendendo stabile il nucleo dell’atomo