STRUTTURA ATOMICA

L’Universo è composto di materia ed energia, due fenomeni della medesima entità visto che, come dimostrò Einstein, esse possono convertirsi l’una nell’altra secondo la relazione E = mc^2 .

​La chimica è la scienza che studia le caratteristiche, la struttura e le trasformazioni della materia e gli scambi energetici connessi a tali trasformazioni. Oggi noi possediamo un modello sufficientemente dettagliato per descrivere la struttura della materia, il modello atomico.

Ogni sostanza è formata dalla combinazione di 92 diversi atomi, termine coniato da Democrito per indicare l'esistenza in natura di particelle elementari non divisibili.

TEORIA ATOMICA DELLA MATERIA

Da una parte Aristotele che ipotizza l'esistenza di una materia continua, divisibile indefinitamente in frammenti sempre più piccoli e quindi irriducibile ad unità elementari. due correnti di pensiero che interpretavano la materia in modi diametralmente opposti.

​Dall’altra Democrito di Abdera (IV sec a.C.), anche se il primo ad avere parlato di atomi fu Leucippo, che ritiene invece la materia discontinua e sostiene pertanto l'esistenza di particelle minuscole, chiamate atomi, invisibili, incorruttibili ed eterne. Le idee di Democrito sopravvissero nei secoli. Furono divulgate da Epicuro di Samo (III sec. a.C.) e, nel mondo latino, da Tito Lucrezio Caro (95-55 a.C.) nel "De Rerum Natura".

​1789 LAVOISIER: Legge di conservazione della materia: "In una reazione chimica, la somma dei pesi dei reagenti è sempre uguale alla somma dei pesi dei prodotti di reazione". Di conseguenza la teoria implica che durante le reazioni chimiche le sostanze non 'spariscano', ma semplicemente si combinino in vario modo per dare sostanze aventi diverse proprietà, ma massa complessivamente uguale. 

1799 PROUST: Legge delle proporzioni definite. In un composto chimico i rapporti di massa degli elementi che lo costituiscono è costante. Tale legge venne aspramente criticata da Berthollet (1748-1822), il quale riteneva che la composizione chimica di un composto non fosse percentualmente fissa e definita, ma dipendesse dal modo in cui il composto stesso veniva preparato.

1803 DALTON: L’atomo è la più piccola parte della materia, è compatto e indivisibile. Legge delle proporzioni multiple: Ogni sostanza è costituita da atomi indistruttibili e indivisibili (500a.C. Grecia). Gli atomi di un elemento sono identici. Gli atomi di elementi diversi hanno masse diverse.

Come si definisce l'atomo:

Atomo: più piccola parte di un elemento che ne mantiene le proprietà

Elemento: materia costituita da un solo tipo di atomo

Materia: qualsiasi cosa che h massa e occupa spazio

1811 AVOGADRO: Volumi uguali di gas diversi a T e P costanti hanno lo stesso numero di particelle, il gas doveva essere costituito da due atomi legati, 02, F2 (gli unici noti all'epoca).  1 mol = 22,4L

Es: H20 --> Dalton 1g H+8g 0 --> 9g H2O                              massa O/massa H= 8 massa

                    Avogadro 2Litri H + 1Litro  O --> 2Litri H20      massa O/massa H=16 massa

ALLEOTROPI: Elemento o composto che può assumere forme cristalline diverse e quindi mostrare proprietà fisiche e chimiche differenti.

​

OPPOSITORI ALLA TEORIA ATOMICA-->1897 ERNST MACH: Il concetto di atomo è astrato, non si possono vedere, pesare, …, la chimica deve occuparsi solo dei fenomeni macroscopici. I suoi attacchi violenti portarono al suicidio Boltzmann nel castello di Duino. Il 5 settembre 1906. E dopo aver salutato la moglie Henriette e la figlia Elsa, dirette alla spiaggia di Duino, Ludwig Eduard Boltzmann, uno dei più grandi fisici teorici di tutti i tempi, impugna il cordone di una tenda e si toglie la vita a 62 anni, impiccandosi alla finestra della stanza in cui alloggiava. ​

IL MOTO BROWNIANO:

• 1827 BROWN: Usò il microscopio per osservare i granelli di polvere e polline in acqua. Esse si muovevano in continuazione con u moto casuale.

Erano quindi particelle vive? No, anche nel legno fossile riscontrò lo stesso fenomeno.

• 1850 GOUY: Ipotizzò che il moto fosse dovuto all'agitazione termica, ma non sviluppò la teoria.

• 1905 EINSTEIN: Random walk/cammino casuale o dell'ubriaco. L e molecole d'acqua e di polline si muovono in continuo e sbattono tra loro a causa dell'agitazione termica. Il moto è influenzato anche da pressione e densità.

• 1908 JEAN BAPTISTE PEARIN: Conferma sperimentalmente la teoria di Einstein. Conferma indiretta dell'esistenza degli atomi

1894  THOPSON: Scoperta di particelle subatomiche, protoni ed elettroni. Inoltre determina il rapporto carica su massa dell'elettrone il quale è costante. La si calcola attraverso un tubo di vetro con gas argon e si applica una ddp, la quale crea un raggio catodico che viene deviato da cariche elettriche o magnetiche (principio alla base delle vecchie tv, you-tube). 

1886 Goldstein: usando un tubo a raggi catodici con catodo forato, aveva rilevato dietro al catodo, una luminescenza provocata da radiazioni con movimento opposto a quello dei raggi catodici. Egli dimostrò che si trattava di particelle cariche positivamente (raggi canale). Poiché la massa di tali particelle era diversa a seconda del gas contenuto nel tubo, si ritenne, correttamente, che gli elettroni che attraversavano il gas, accelerati dalla differenza di potenziale, fossero in grado, urtandoli, di strappare gli elettroni contenuti negli atomi del gas, trasformandoli così in ioni positivi.

1895  PERRIN: osservando che un elettroscopio colpito dalla radiazione catodica si elettrizzava negativamente, dimostrò che i raggi emessi dal catodo erano dotati di carica negativa.

Altri esperimenti condotti sui raggi catodici dimostrarono che doveva trattarsi di particelle (lo stesso Crookes aveva trovato che i raggi catodici erano in grado di mettere in rotazione, colpendola, una minuscola ruota a pale, interposta sul loro cammino).

1906 MILLIKAN: Si determina la carica minima assegnabile alla massa. Il rapporto carica su massa dell’elettrone è costante ed è uguale a 5.273 unità elettrostatiche su grammo. Utilizza un contenitore diviso a metà da una piastra metallica con un foro al centro. L'olio viene nebulizzato nella parte superiore e alcune goccioline attraversano il foro centrale e vengono sospese nella camera per azione del campo elettrico, che controbilancia la forza di gravità.

1896 BECQUEREL: scopre la radioattività dell’uranio. Le sue ricerche vennero proseguite dai coniugi Curie e poi da Rutherford, il quale per primo nel 1898 riconosce le radiazioni da lui chiamate (alfa) e (beta), emesse da elementi radioattivi. Pochi anni più tardi P. Villard in Francia scoprì che tra le radiazioni emesse da una sostanza radioattiva ve ne sono di un terzo tipo, chiamate (gamma), che si riconoscono simili ai raggi X.

1904 RUTHERFORD: dimostra che le radiazioni alfa sono formate da atomi di elio (queste particelle vengono attratte dalla carica negativa).

1911 RUTHERFORD: insieme a due studenti con un fucile atomico di uranio bombarda una lamina d’oro. La maggior parte passa indisturbata (quindi l'atomo era formato da ampie zone vuote) e una parte delle radiazioni alfa viene deviata e alcune addirittura riflesse (era presente un nucleo positivo). Si dimostra cosi che l’atomo è formato da zone vuote con un nucleo positivo. D'ora in avanti si studiano come si muovono gli elettroni dell'atomo.

Difetti della teoria:

• é incompatibile con gli esperimenti di spettroscopia. Con un modello del genere, dove l’elettrone carico si muove  si otterrebbero degli spettri continui, dati dall’emissione di radiazione a tutte le frequenze, cosa che non avviene;

• cosa impedisce agli elettroni, caricati negativamente, di cadere sul nucleo, caricato positivamente?  infatti, secondo la teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell conosciuta all’epoca, una particella carica che accelera irradia energia e sarebbe così per un elettrone che per mantenere l’orbita deve cambiare continuamente direzione alla velocità e quindi accelerare. Quindi per la fisica classica l’elettrone cadrebbe a spirale sul nucleo e l’atomo sarebbe stabile per un tempo non superiore a una piccola frazione di secondo, 10^−11 s;

• come sono disposti gli elettroni attorno al nucleo? come è composto il nucleo?

• perché la repulsione delle cariche positive coesistenti a una distanza molto piccola nel nucleo non lo fanno esplodere?

LA MATERIA E' UN SISTEMA VUOTO

In proporzione se il nucleo fosse uguale ad una palla da calcio (22cm) gli elettroni più esterni sarebbero a 1,1km

La densità del nucleo è: 1.000.000.000 tonnellate / cm3​

1924-1932 BORH E CHADIWICK: Bombardano un cristallo di Berillio con particelle alfa e scoprono che il nucleo è formato anche da neutroni, che sono 1830 volte più grandi dell'elettrone. Scoprono inoltre gli isotopi.

ISOTOPI: Un atomo con numero di massa diverso rispetto ad un altro dello stesso elemento. Due isotopi hanno quindi lo stesso numero di protoni (lo stesso numero atomico) ma diverso numero di neutroni.

• numero di massa: numero di nucleoni (i.e. protoni + neutroni) contenuti in un nucleo di un dato atomo (isotopo) numero di nucleoni (i.e. protoni + neutroni) contenuti in un nucleo di un dato atomo (isotopo) o peso atomico (assoluto): massa di un atomo di un dato elemento (isotopo), si solito espressa in Kg

• massa atomica (assoluta) o peso atomico (assoluto): massa di un atomo di un dato elemento (isotopo), si solito espressa in Kg​

• massa atomica relativa o peso atomico relativo: massa di un atomo (media pesata dei diversi isotopi) in rapporto al peso atomico assoluto di un 1/12 di un atomo di 12C – numero adimensionale o peso atomico relativo: massa di un atomo (media pesata dei diversi isotopi) in rapporto al peso atomico assoluto di un 1/12 di un atomo di 12C – numero adimensionale 

DIFETTO DI MASSA:

DAI RAGGI X ALLA RADIOATTIVITA'

​1901 RONTGEN, BECQUEREL, CURIE: La radioattività è causata dalla spontanea disintegrazione di atomi.

​​----> "Nella scienza esiste solo la Fisica; tutto il resto è collezione di francobolli“. E. Rutherford

---> Elementi radioattivi usati per dentifrici, creme, acqua, indumenti invernali, cioccolato…

1913 Contatore Geiger: misura in Bq (Bequerel) il numero di disintegrazioni al secondo. Gli atomi con z>83 diventano radioattivi.

​--> decadimento C14 nelle ossa, dimezzamento ogni 5730 anni. 

Il corpo umano è formato dal:

• 65% di ossigeno

• 18% di carbonio (98,9% isotopo 12, 1,1% di 13, 1ppm di 14)

• 10% di idrogeno

• 3% di azoto

• 0,2% di potassio (93,26% isotopo 39, 0,01% di 40, 6,73 di 41)

​Su 75 Kg ci sono circa 13kg di carbonio e facendo le dovute trasformazioni otteniamo che c'è un decadimento beta di un atomo di carbonio ogni 8 minuti.

Invece nonostante abbiamo nel corpo circa 0,150kg di potassio, esso decade ad una velocità notevolmente maggiore e abbiamo circa 4300 decadimenti beta al secondo.

MODELLI ATOMICI

MAXWELL: Gli elettroni che si muovono intorno al nucleo dovrebbero collassare sul nucleo stesso. Secondo l'elettrodinamica classica, ci dovrebbe essere un'emissione di radiazione e il collassamento dell'e- verso il nucleo in 10^-8 secondi.

LUCE - ONDA ELETTROMAGNETICA: 

1672 NEWTON: luce insieme di particelle. Prisma disperde la luce bianca in vari colori

MAXWELL: Luce onda elettromagnetica. Onda: variazione periodica di una proprietà nello spazio e nel tempo.

• lunghezza d'onda - lambda: (di un'onda periodica) è la distanza tra due creste o fra due ventri della sua forma d'onda. Spazio percorso dalla radiazione in un periodo.

• ampiezza - a: è l'altezza massima o minima raggiunta dalla cresta dell'onda a partire da zero. I= ka

• periodo - t:  è il tempo che passa tra il verificarsi di un massimo ad un altro massimo, si misura in secondi.

• frequenza - v: in hertz, è il numero di cicli della forma d'onda ripetitiva per secondo.

• intensità - I: energia trasportata dalla radiazione in un secondo attraverso una superficie unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione.

• numero d'onda: inverso della lunghezza d'onda.

eV: energia guadagnata o ceduta dalla carica di un e- che si muove tra due punti dello spazio tra cui esiste una ddp pari ad 1V.    

1J= 6,24* 10^18 eV

Raggi Uv: se esposizione prolungata causano tumori e melanomi alla pelle.

Raggi X: modificazione della pelle.

LORENTZ: cariche elettriche oscillanti, porta alla catastrofe UV: La catastrofe ultravioletta, chiamata anche catastrofe di Rayleigh-Jeans, è la predizione della fisica d'inizio XX secolo, evidentemente falsa, secondo la quale un corpo nero ideale in equilibrio termico con l'ambiente avrebbe dovuto emettere radiazione elettromagnetica con potenza infinita, come risultava dall'applicazione delle equazioni di Maxwell.   I= pi greco v^2 KT/c^2

​

1901 PLANK: (padre della teoria quantistica) dice che la radiazione assorbita da un corpo nero riscaldato fino all’incandescenza emette radiazioni secondo quantità ben definite, non in continuo, consa non spiegabile dalla teoria classica. E = v*k con v=frequenza e k=costante di Plank=6,626*10^-34 J s. La luce quindi segue sia la teoria ondulatoria (radiazione) sia la teoria crepuscolare (fotoni). Plank stesso criticò la sua teoria ritenendo poco credibile la quantizzazione.

1905 Einstein: chiarisce il concetto sostenendo che la radiazione elettromagnetica può essere considerata come un fascio di particelle chiamate fotoni. I fotoni non hanno massa, e sono fondamentali per spiegare il modello atomico di Borh.​

---> Einstein e l'effetto fotoelettrico: (scoperto da Hertz nel 1887): Se un metallo viene colpito da una radiazione esso emetterà e-. Tuttavia dipende dalla frequenza della radiazione incidente. 

spiegabile ipotizzando che: (i) la luce sia costituita da “quanti di energia radiante” (fotoni*) aventi energia Efotone = h (ii) solo fotoni che hanno un’ energia maggiore di un certo valore riescano a causare l’espulsione di un elettrone dal metallo

1885 BALMER e lo spettro dell'idrogeno: Descrive attraverso la serie di Balmer, in astronomia, è una sequenza di righe che descrivono le righe spettrali dello spettro dell'atomo di idrogeno.

Spettro di emissione continuo

Se si esamina allo spettroscopio la radiazione proveniente da un corpo liquido o solido a qualsiasi T, essa forma uno spettro continuo, in cui sono presenti tutte le radiazioni monocromatiche. L'intensità delle righe luminose cresce da sinistra a destra e, raggiunto un massimo ad una certa lunghezza d'onda, decresce.

Costruendo un diagramma che abbia in ascissa le lunghezze d'onda crescenti ed in ordinata l'intensità luminosa si ottiene una curva tipica, detta curva di corpo nero , che non dipende dalla natura chimica del materiale emittente, ma è funzione solo della temperatura di emissione.

Purtroppo applicando le equazioni di Maxwell e le leggi della fisica classica si ottenevano sempre relazioni matematiche in netto contrasto con i dati sperimentali .Quello del corpo nero rimase un problema irrisolto per tutto l'Ottocento ed uno scoglio insuperato per il modello ondulatorio della luce proposto da Maxwell.

Spettro di emissione a righe

Un gas o un vapore riscaldato emette una radiazione discontinua, formata solo da poche componenti monocromatiche. Tale radiazione scomposta dallo spettrografo produce uno spettro sul quale righe luminose sono separate da ampie bande oscure. Ciascun elemento, ciascun composto chimico emette uno spettro a righe caratteristico, con righe di particolare lunghezza d'onda ed intensità, tanto che oggi la spettroscopia viene utilizzata per effettuare analisi chimiche.

​Spettri di assorbimento

Quando la radiazione continua proveniente da un corpo solido o liquido passa attraverso un gas od un vapore, si constata che allo spettro continuo mancano certe radiazioni monocromatiche, le quali sono state assorbite dal gas interposto.

In pratica si riscontra che i gas ed i vapori assorbono le stesse radiazioni monocromatiche che emettono, per cui lo spettro di assorbimento risulta l'esatto negativo dello spettro di emissione a righe. Le righe nere degli spettri di assorbimento sono dette righe di Fraunhofer, il quale le osservò per la prima volta (1

815) nello spettro solare.

SPETTRO EMISSIONE SOLE: Il Sole è costituito principalmente da H ed He e principalmente ha radiazioni distribuite su un ampio spettro di frequenza con un picco a 500nm (verde-ciano). Intensa anche la rosso-arancione , utile per la fotosintesi

Il modello corpuscolare

Nonostante i risultati ottenuti, la teoria ondulatoria della luce, non era in grado di dar ragione di tre problemi: lo spettro di emissione del corpo nero, gli spettri a righe, l'effetto fotoelettrico.

La svolta si ebbe quando Max Planck ebbe nel tentativo di trovare una equazione che descrivesse correttamente  la curva di corpo nero, propose che le onde elettromagnetiche non potessero essere emesse da un corpo ad un ritmo arbitrario e continuo, ma solo sotto forma di pacchetti d'onde, quanti.

Ogni quanto, privo di massa, doveva essere visto come “un pacchetto di energia”, cioè possedeva una certa quantità di energia che dipendeva dalla frequenza d'onda della luce, secondo la relazione: E = h ν dove ν è la frequenza della radiazione e h è una nuova costante, detta costante di Planck , pari a 6,626*10^-34J˖s.

Dalla relazione appare come un quanto di luce rossa possa contenere meno energia di un quanto blu. In tal modo un corpo emittente ad una certa temperatura potrebbe avere energia sufficiente per emettere quanti di luce infrarossa o gialla, ma potrebbe non avere sufficiente energia per emettere neppure un quanto di radiazione X o gamma. In tal modo ad alte frequenze il numero di quanti emessi si ridurrebbe drasticamente, come evidenziato dalle curve per l’emissione del corpo nero. 

Planck si limitò semplicemente a verificare che nel caso particolare in cui la materia emetteva radiazione non lo faceva come un flusso continuo, secondo le leggi dell'elettromagnetismo classico.

La luce non poteva dunque più essere considerata semplicemente un fenomeno ondulatorio, visto che, almeno in questo caso particolare, i fisici erano costretti a descriverne il comportamento attraverso un modello corpuscolare. D'altra parte il modello corpuscolare quantistico era inapplicabile per spiegare fenomeni  tipicamente ondulatori come la diffrazione e l'interferenza.

Nasce l'idea di un comportamento duale della luce, la quale richiede due modelli, apparentemente in reciproca contraddizione, per essere descritta. 

1913 BOHR: Un modello matematico che descrive l’atomo secondo dei postulati e si basa sull’atomo di idrogeno, il più semplice.

Gli elettroni ruotano attorno al nucleo, e le orbite da loro descritte sono a una distanza ben precisa dal nucleo, che dipende dalla quantità di energia, chiamati livelli energetici.

Ogni elettrone segue una determinata traiettoria circolare, chiamata orbita stazionaria.

Se viene riscaldato, passa a uno stato eccitato assumendo quanti di energia: quindi gli elettroni fanno un salto alle orbite superiori.

Un modello inconsistente…

• Il modello di Bohr prevede correttamente lo spettro di atomi idrogenoidi

• il modello di Bohr prevede correttamente l’energia di ionizzazione

• il modello di Bohr non prevede gli spettri degli atomi polielettronici

• il modello di Bohr non spiega il perché della quantizzazione di L

• Inoltre cade il concetto di orbita per descrivere il percorso dell'elettrone. Per definire un orbita bisogna definire in ogni momento determinati parametri che sono fisicamente correlati tra loro. Velocità del corpo e la sua quantità di moto (p= m*v) e la distanza dell'orbita descritta dal suo centro, oltre che la distanza percorsa in un determinato tempo dalla particella.

COMPTON: Per particelle subatomiche, quali l’elettrone, non è possibile determinare allo stesso momento la sua velocità e la sua posizione. Non è possibile quindi determinare la sua orbita intorno al nucleo.

1924 LOUIS DEBROJLLE: Se ad un onda è associabile una particella, è vero anche il contrario? Si, ad ogni corpo in movimento si può associare un’onda elettromagnetica la cui lunghezza d’onda è pari a  λ = h/m*v con h=a costante di Plank, v=velocità e m=massa

L’elettrone intorno al nucleo è descrivibile come un onda stazionaria → giustificazione per quantizzazione momento angolare.

Equazioni particella nella scatola...

CONFIGURAZIONE ELETTRONICA:

PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI: In un atomo non ci possono essere due e- aventi gli stessi 4 valori energetici. Se hanno uguale n, l, m devono avere diverso numero di spin

MOLTEPLICITA’ DI HUND: Se più elettroni occupano orbitali isoenergetici o degeneri, questi si collocano in modo tale da riempire tutti gli orbitali con spin paralleli e poi solo dopo si appaiono. Questo diminuisce l’energia repulsiva ed è più evidente per elementi di transizione.

IL PRINCIPIO DELL' AUFBAU: Le configurazioni elettroniche sono costruite riempendo per primi gli orbitali ad energia più bassa. Questa regola permette di ottenere configurazioni elettroniche allo stato fondamentale. Le differenza tra i livelli diminuisco