ATOMI, ELETTRONI E TEORIE

Nei primi anni del '900 si scoprì che l'atomo è costituito principalmente da uno spazio vuoto, al centro del quale si trova un nucleo di dimensioni pari a circa un decimillesimo del diametro dell'intero atomo. In seguito a esperimenti di diffusione di particelle alfa da parte di atomi di elementi metallici radioattivi, E. Rutherford concluse che la massa dell'atomo è concentrata in massima parte nel nucleo, attorno al quale gli elettroni ruotano percorrendo orbite predefinite. La carica positiva del nucleo viene bilanciata dalla carica negativa portata dagli elettroni, di modo che l'atomo, in condizioni normali, risulti elettricamente neutro.

Il modello atomico di Rutherford, tuttavia, presentava alcuni inconvenienti: a causa del loro moto circolare intorno al nucleo, gli elettroni avrebbero dovuto perdere progressivamente energia, fino a collassare sul nucleo. Questo avrebbe reso impossibile l'esistenza di atomi stabili, in evidente disaccordo con le osservazioni sperimentali.

Per eliminare le discrepanze tra l'atomo di Rutherford e i dati sperimentali, nel 1913 il fisico danese N. Bohr propose un nuovo modello atomico, entrato a far parte dei fondamenti della meccanica quantistica (meccanica che studia i fenomeni microscopici a carattere atomico, dove le regole per i fenomeni macroscopici non valgono più). Secondo Bohr, gli elettroni percorrono orbite stazionarie intorno al nucleo, senza subire variazioni di energia: a ciascuna orbita corrisponde un determinato valore dell'energia dell'elettrone (livello energetico) e si ha emissione di radiazione solo quando l'elettrone effettua una transizione elettronica fra livelli energetici diversi. In particolare un atomo emette radiazione elettromagnetica se un elettrone si sposta da un livello energetico superiore a uno inferiore, e assorbe radiazione nel caso contrario.

La disposizione degli elettroni nei livelli energetici è detta conurazione elettronica dell'atomo. Il numero totale degli elettroni è uguale al numero atomico dell'atomo. I diversi livelli energetici fra cui si distribuiscono gli elettroni, vengono riempiti in modo regolare, dal primo livello fino al settimo, e ciascuno di essi può contenere un numero massimo definito di elettroni. Il primo livello è completo quando contiene due elettroni, il secondo può contenere otto elettroni, il terzo diciotto, e così via. Il settimo livello non è completo in alcuno degli elementi esistenti in natura. Il comportamento chimico di un atomo è determinato dal numero degli elettroni più esterni, ossia appartenenti al livello energetico più distante dal nucleo.

I livelli elettronici non vengono riempiti sempre in ordine consecutivo: per i primi diciotto elementi della tavola periodica, gli elettroni sono disposti in modo regolare, e ogni livello energetico viene completato prima del successivo; a partire dal diciannovesimo elemento, questo ordine non viene più rispettato, anche se rimangono valide alcune 'regole di riempimento'. La periodicità delle conurazioni elettroniche giustifica da un punto di vista teorico la loro disposizione nella tavola periodica.

È da sottolineare il fatto che la teoria originariamente proposta da Bohr prevedeva che gli elettroni ruotassero attorno al nucleo, percorrendo orbite stazionarie simili a quelle etarie. In realtà, la visione moderna dell'atomo, basata sulla meccanica quantistica e sulle teorie di De Broglie e Schrödinger (1924 in poi) descrive il moto dell'elettrone in termini di probabilità di occupazione di determinate regioni dello spazio circostante il nucleo. (La regione dello spazio intorno al nucleo in cui la densità di probabilità di trovare un elettrone è massima viene denominata orbitale).

Tutte queste teorie hanno come fondamento la scoperta delle particelle subatomiche, in particolare dell'elettrone. All'elettrone si giunse attraverso esperimenti che avevano in comune lo studio di gas rarefatti in tubi a vuoto, sottoposti a differenze di potenziale.

ESPERIENZA DI LABORATORIO CON TUBI DI CROOKES RELATIVA A ELETTRONI E RAGGI CATODICI

MATERIALI:

Alimentatore a corrente continua

Cavi di collegamento

Calamita (magnete)

Tubo di Crookes con mulinello

Tubo di Crookes con schermo di fluoro

Tubo di Crookes con croce di Malta

Tubo di Crookes con lastrina di metallo

TUBI DI CROOKES:

Il tubo di Crookes è un tubo di vetro contenente un gas rarefatto (pressione molto bassa, quindi un vuoto spinto); alle sue pareti interne sono fissati due elettrodi metallici: uno, il catodo, con polo negativo e l'altro, l'anodo, con polo positivo.

OBIETTIVI:

Verificare sperimentalmente in laboratorio le diverse tappe che hanno portato alla scoperta dell'elettrone. Tutto ciò grazie a dimostrazioni legate ai raggi catodici.

PROCEDIMENTO:

Inizialmente si collega l'alimentatore alla corrente e successivamente ai diversi tubi di Crookes utilizzati.

-Tubo con mulinello: aprendo l'interruttore della corrente si può vedere che il mulinello all'interno del tubo si muove in direzione opposta al catodo, dal quale escono i raggi catodici. Questo indica la natura corpuscolare dei raggi, formati, quindi da particelle con massa propria.

-Tubo con schermo di fluoro: è un tubo con uno schermo coperto di fluoro (sostanza che dà origine al fenomeno della fluorescenza se colpito da elettroni) e con una fessura per selezionare un raggio ben preciso tra tutti quelli uscenti dal catodo. Questo indica che i raggi catodici si muovono di moto rettilineo dal catodo verso l'anodo. Avvicinando all'estremità superiore del tubo un magnete, si può notare che i raggi vengono respinti (polo negativo), o attratti (polo positivo).

-Tubo con croce di Malta: applicando una differenza di potenziale tra anodo e catodo i raggi catodici definiscono una luminescenza che, con la croce di Malta, proietta un'ombra sul fondo del tubo. Anche con questa esperienza dimostra il moto rettilineo dei raggi catodici.

-Tubo con lastrina di metallo: nella perpendicolare di uscita dei raggi catodici dal catodo, è posto una lastrina di metallo che, a contatto con questi, diventa incandescente.

OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI

Dall'esperienza è possibile dimostrare la natura corpuscolare dei raggi catodici (tubo con mulinello), la perpendicolarità di uscita rispetto al catodo ed il moto rettilineo di cui si muovono indipendentemente dalla posizione dell'anodo (tubi con croce di Malta), la carica elettrica negativa (quando si fa uso di un magnete), quindi, si è potuto vedere come si è giunti all'attuale definizione con relativi attributi di elettrone (nel 1897 venne annunciato che i raggi catodici sono costituiti da particelle fondamentalmente dotate di carica negativa presenti negli atomi di tutte le molecole. Thomson attribuì a queste particelle il nome elettrone) e da qui anche alla definizione di protone. Nel tubo con minerale, infine, il fenomeno mostra come il flusso di elettroni dei raggi catodico, a contatto con gli atomi della lastrina di metallo, ecciti gli elettroni di quest'ultima, elettroni che si trasferiscono ad un livello energetico superiore.

Spettri di emissione

obbiettivi

Verificare, grazie ad uno spettroscopio, i vari spettri di emissione di alcuni elementi.

Teoria

L'insieme delle radiazioni emesse da un elemento,sia visibili o non visibili, sono lo spettro di emissione di una sostanza.

Atomi eccitati da un'opportuna sorgente esterna di energia emettono radiazione elettromagnetica, di frequenza ben definita. L'esame di questa radiazione, eseguito a mezzo di uno spettroscopio, mostra che in realtà il gas emette uno spettro a righe, ovvero una radiazione di una serie di frequenze a distanza regolare una dall'altra. La teoria di Bohr permette di calcolare le lunghezze d'onda dello spettro di emissione in modo semplice e preciso, ipotizzando che ciascuna riga spettrale corrisponda al salto di un elettrone da un livello di energia superiore, e quindi più distante dal nucleo, a un livello caratterizzato da una energia inferiore. Gli elettroni che normalmente occupano i livelli quantici più vicini al nucleo, e perciò hanno energia più bassa, vengono 'eccitati' dalle scariche elettriche, ovvero assorbono energia, e saltano a livelli quantici superiori; da qui possono 'ricadere' ai livelli inferiori, cedendo nuovamente energia all'esterno sotto forma di radiazione. L'energia che viene emessa in questo ultimo passaggio si manifesta sotto forma di energia elettromagnetica che può essere visibile o non visibile ad occhio nudo. Nel caso non sia visibile si ricorre allo spettroscopio.

materiali

Per eseguire questo esperimento abbiamo fatto uso di un filamento al Nichel, delle sostanze da analizzare, spettroscopio( 1), di un beker d'acqua.

Procedimento

Abbiamo preparato le sostanze da analizzare, acceso il fornello, preparato i filamenti al Nichel e il beker con l'acqua. Poi abbiamo messo un po' del primo elemento sul filamento al nichel e successivamente messo sul fornello e osservato allo spettroscopio gli spettri della sostanza, poi pulito il filamento nel beker d'acqua per togliere i residui di quella sostanza abbiamo messo sul filamento un'altra sostanza.

Risultati dell'esperimento

Allo spettroscopio ,con le seguenti sostanze abbiamo ottenuto una tabella con le sostanze usate ed i relativi spettri d'immissione (ps: non mi ricordo che sostanze abbiamo usato..).

OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI

In questa esperienza abbiamo visto alcuni spettri di emissione di alcuni elementi e abbiamo visto quando l'energia viene emessa dall'atomo in quale modo la possiamo vedere. Noi abbiamo visto sette sostanze ma in natura ne troviamo 92 i  tutto. In oltre abbiamo potuto sapere come si faccia a capire quali sostanze stiano bruciando in una stella, infatti puntando contro una stella uno spettroscopio apposito possiamo, guardando quali spettri di emissione si vedano, saper quali materiali stiano bruciano in essa.