Atom

L'atomo è l'unità di base della materia. È la più piccola cosa che può avere una proprietà chimica. Ci sono molti tipi diversi di atomi, ognuno con il proprio nome, massa atomica e dimensioni. Questi diversi atomi sono chiamati elementi chimici. Gli elementi chimici sono organizzati sulla tavola periodica. Esempi di elementi sono l'idrogeno e l'oro.

Gli atomi sono molto piccoli, ma la dimensione esatta dipende dall'elemento. Gli atomi variano da 0,1 a 0,5 nanometri di larghezza. Un nanometro è circa 100.000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Questo rende gli atomi impossibili da vedere senza strumenti speciali. Gli scienziati usano gli esperimenti per imparare come funzionano e come interagiscono con gli altri atomi.

Gli atomi si uniscono per formare le molecole: per esempio, due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno si uniscono per formare una molecola di acqua. Quando gli atomi si uniscono si chiama reazione chimica.

Gli atomi sono costituiti da tre tipi di particelle più piccole, chiamate protoni (che sono caricati positivamente), neutroni (che non hanno carica) ed elettroni (che sono caricati negativamente). I protoni e i neutroni sono più pesanti e rimangono al centro dell'atomo. Sono chiamati il nucleo. Sono circondati da una nuvola di elettroni che sono molto leggeri. Sono attratti dalla carica positiva del nucleo dalla forza elettromagnetica.

Il numero di protoni ed elettroni di un atomo ci dice di quale elemento si tratta. L'idrogeno, per esempio, ha un protone e un elettrone; l'elemento zolfo ha 16 protoni e 16 elettroni. Il numero di protoni è il numero atomico. Ad eccezione dell'idrogeno, il nucleo ha anche neutroni. Il numero di protoni e neutroni insieme è il peso atomico.

Gli atomi si muovono più velocemente quando sono nella loro forma gassosa (perché sono liberi di muoversi) di quanto non facciano nella forma liquida e nella materia solida. Nei materiali solidi, gli atomi sono strettamente impacchettati uno accanto all'altro in modo da vibrare, ma non sono in grado di muoversi (non c'è spazio) come fanno gli atomi nei liquidi.

Storia

La parola "atomo" deriva dal greco (ἀτόμος) "atomos", indivisibile, da (ἀ)-, non, e τόμος, un taglio. La prima menzione storica della parola "atomo" deriva da opere del filosofo greco Democrito, intorno al 400 a.C.. La teoria atomica rimase un argomento per lo più filosofico, con poco approfondimento o studio scientifico, fino allo sviluppo della chimica nel 1650.

Nel 1777 il chimico francese Antoine Lavoisier definì per la prima volta il termine elemento. Egli disse che un elemento era una qualsiasi sostanza di base che non poteva essere scomposta in altre sostanze con i metodi della chimica. Ogni sostanza che poteva essere scomposta era un composto.

Nel 1803, il filosofo inglese John Dalton suggerì che gli elementi erano minuscole, solide sfere fatte di atomi. Dalton credeva che tutti gli atomi dello stesso elemento avessero la stessa massa. Diceva che i composti si formano quando gli atomi di più di un elemento si combinano. Secondo Dalton, in un certo composto, gli atomi degli elementi del composto si combinano sempre allo stesso modo.

Nel 1827, lo scienziato britannico Robert Brown guardò al microscopio i granelli di polline nell'acqua. I granelli di polline sembravano agitarsi. Brown utilizzò la teoria atomica di Dalton per descrivere gli schemi nel modo in cui si muovevano. Questo è stato chiamato movimento browniano. Nel 1905 Albert Einstein utilizzò la matematica per dimostrare che i movimenti apparentemente casuali erano causati dalle reazioni degli atomi, e così facendo provò definitivamente l'esistenza dell'atomo. Nel 1869, lo scienziato russo Dmitri Mendeleev pubblicò la prima versione della tavola periodica. La tavola periodica raggruppa gli elementi in base al loro numero atomico (quanti protoni hanno. Questo è di solito lo stesso numero di elettroni). Gli elementi nella stessa colonna, o periodo, di solito hanno proprietà simili. Per esempio, elio, neon, argon, krypton e xenon sono tutti nella stessa colonna e hanno proprietà molto simili. Tutti questi elementi sono gas che non hanno né colore né odore. Inoltre, non sono in grado di combinarsi con altri atomi per formare composti. Insieme sono conosciuti come i gas nobili.

Il fisico J.J. Thomson è stato il primo a scoprire gli elettroni. Questo avvenne mentre lavorava con i raggi catodici nel 1897. Si rese conto che avevano una carica negativa, a differenza dei protoni (positivi) e dei neutroni (senza carica). Thomson creò il modello del plum pudding, che affermava che un atomo era come il plum pudding: la frutta secca (elettroni) era bloccata in una massa di budino (protoni). Nel 1909, uno scienziato di nome Ernest Rutherford utilizzò l'esperimento Geiger-Marsden per dimostrare che la maggior parte di un atomo si trova in uno spazio molto piccolo chiamato nucleo atomico. Rutherford prese una lastra fotografica e la coprì con una lamina d'oro, e poi vi sparò contro particelle alfa (fatte di due protoni e due neutroni attaccati insieme). Molte delle particelle sono passate attraverso la lamina d'oro, il che ha dimostrato che gli atomi sono per lo più spazi vuoti. Gli elettroni sono così piccoli da costituire solo l'1% della massa di un atomo.

Nel 1913, Niels Bohr introdusse il modello Bohr. Questo modello mostrava che gli elettroni viaggiano intorno al nucleo in orbite circolari fisse. Questo era più preciso del modello di Rutherford. Tuttavia, non era ancora completamente corretto. Sono stati apportati miglioramenti al modello di Bohr da quando è stato introdotto per la prima volta.

Nel 1925, il chimico Frederick Soddy scoprì che alcuni elementi della tavola periodica avevano più di un tipo di atomo. Per esempio, un atomo con 2 protoni dovrebbe essere un atomo di elio. Di solito, un nucleo di elio contiene anche due neutroni. Tuttavia, alcuni atomi di elio hanno un solo neutrone. Questo significa che sono veramente elio, perché un elemento è definito dal numero di protoni, ma non sono nemmeno elio normale. Soddy ha chiamato un atomo come questo, con un numero diverso di neutroni, un isotopo. Per ottenere il nome dell'isotopo guardiamo quanti protoni e neutroni ha nel suo nucleo e aggiungiamo questo al nome dell'elemento. Così un atomo di elio con due protoni e un neutrone si chiama elio-3, e un atomo di carbonio con sei protoni e sei neutroni si chiama carbonio-12. Tuttavia, quando ha sviluppato la sua teoria Soddy non poteva essere certo che i neutroni esistessero davvero. Per dimostrare che erano reali, il fisico James Chadwick e un gruppo di altri crearono lo spettrometro di massa. Lo spettrometro di massa misura effettivamente la massa e il peso dei singoli atomi. In questo modo Chadwick ha dimostrato che per rendere conto di tutto il peso dell'atomo, i neutroni devono esistere.

Nel 1937, il chimico tedesco Otto Hahn divenne la prima persona a creare la fissione nucleare in un laboratorio. Lo scoprì per caso mentre sparava neutroni contro un atomo di uranio, sperando di creare un nuovo isotopo. Tuttavia, notò che invece di un nuovo isotopo l'uranio si trasformava semplicemente in un atomo di bario, un atomo più piccolo dell'uranio. A quanto pare, Hahn aveva "rotto" l'atomo di uranio. Questa è stata la prima reazione di fissione nucleare registrata al mondo. Questa scoperta portò alla fine alla creazione della bomba atomica.

Più avanti, nel XX secolo, i fisici si sono addentrati nei misteri dell'atomo. Usando acceleratori di particelle scoprirono che i protoni e i neutroni erano in realtà fatti di altre particelle, chiamate quark.

Il modello più accurato finora proviene dall'equazione di Schrödinger. Schrödinger si rese conto che gli elettroni esistono in una nube intorno al nucleo, chiamata la nube di elettroni. Nella nube di elettroni, è impossibile sapere esattamente dove si trovano gli elettroni. L'equazione di Schrödinger è usata per scoprire dove si trova un elettrone. Quest'area è chiamata orbitale dell'elettrone.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Struttura e parti

Ricambi

L'atomo complesso è costituito da tre particelle principali: il protone, il neutrone e l'elettrone. L'isotopo dell'idrogeno idrogeno-1 non ha neutroni, solo un protone e un elettrone. Uno ione idrogeno positivo non ha elettroni, solo un protone e un neutrone. Questi due esempi sono le uniche eccezioni note alla regola che tutti gli altri atomi hanno almeno un protone, un neutrone e un elettrone ciascuno.

Gli elettroni sono di gran lunga la più piccola delle tre particelle atomiche, la loro massa e le loro dimensioni sono troppo piccole per essere misurate con la tecnologia attuale. Hanno una carica negativa. Protoni e neutroni sono di dimensioni e peso simili l'uno all'altro, i protoni sono caricati positivamente e i neutroni non hanno carica. La maggior parte degli atomi ha una carica neutra; poiché il numero di protoni (positivi) e di elettroni (negativi) è lo stesso, le cariche si bilanciano a zero. Tuttavia, negli ioni (diverso numero di elettroni) questo non è sempre il caso, e possono avere una carica positiva o negativa. Protoni e neutroni sono fatti di quark, di due tipi: quark in alto e quark in basso. Un protone è costituito da due quark up e un quark down e un neutrone è costituito da due quark down e un quark up.

Nucleo

Il nucleo è al centro di un atomo. È composto da protoni e neutroni. Di solito in natura, due cose con la stessa carica si respingono o sparano l'una contro l'altra. Così per molto tempo è stato un mistero per gli scienziati come i protoni con carica positiva nel nucleo siano rimasti insieme. Hanno risolto questo problema trovando una particella chiamata gluone. Il suo nome deriva dalla parola colla, poiché i gluoni agiscono come colla atomica, incollando i protoni con la forte forza nucleare. È questa forza che tiene insieme anche i quark che compongono i protoni e i neutroni.

Il numero di neutroni in relazione ai protoni definisce se il nucleo è stabile o passa attraverso il decadimento radioattivo. Quando ci sono troppi neutroni o protoni, l'atomo cerca di rendere gli stessi numeri eliminando le particelle extra. Lo fa emettendo radiazioni sotto forma di decadimento alfa, beta o gamma. I nuclei possono cambiare anche con altri mezzi. La fissione nucleare è quando il nucleo si scinde in due nuclei più piccoli, rilasciando molta energia immagazzinata. Questo rilascio di energia è ciò che rende la fissione nucleare utile per la fabbricazione di bombe ed elettricità, sotto forma di energia nucleare. L'altro modo in cui i nuclei possono cambiare è attraverso la fusione nucleare, quando due nuclei si uniscono, o si fondono, per formare un nucleo più pesante. Questo processo richiede una quantità estrema di energia per superare la repulsione elettrostatica tra i protoni, in quanto hanno la stessa carica. Energie così elevate sono più comuni in stelle come il nostro Sole, che fonde l'idrogeno per il carburante.

Elettroni

Gli elettroni orbitano, o viaggiano intorno al nucleo. Sono chiamati la nube di elettroni dell'atomo. Sono attratti verso il nucleo a causa della forza elettromagnetica. Gli elettroni hanno una carica negativa e il nucleo ha sempre una carica positiva, quindi si attraggono l'un l'altro. Intorno al nucleo, alcuni elettroni sono più lontani di altri, in strati diversi. Questi sono chiamati gusci di elettroni. Nella maggior parte degli atomi il primo guscio ha due elettroni, e tutti quelli successivi ne hanno otto. Le eccezioni sono rare, ma accadono e sono difficili da prevedere. Più l'elettrone è lontano dal nucleo, più debole è l'attrazione del nucleo su di esso. Ecco perché gli atomi più grandi, con più elettroni, reagiscono più facilmente con altri atomi. L'elettromagnetismo del nucleo non è abbastanza forte da trattenere i loro elettroni e gli atomi perdono elettroni per la forte attrazione degli atomi più piccoli.

Un diagramma che mostra la principale difficoltà della fusione nucleare, il fatto che i protoni, che hanno cariche positive, si respingono l'un l'altro quando sono forzati insieme.
Un diagramma che mostra la principale difficoltà della fusione nucleare, il fatto che i protoni, che hanno cariche positive, si respingono l'un l'altro quando sono forzati insieme.

Decadimento radioattivo

Alcuni elementi, e molti isotopi, hanno quello che viene chiamato un nucleo instabile. Ciò significa che il nucleo è troppo grande per reggersi da solo o ha troppi protoni o neutroni. Quando questo accade il nucleo deve liberarsi della massa o delle particelle in eccesso. Lo fa attraverso le radiazioni. Un atomo che fa questo può essere chiamato radioattivo. Gli atomi instabili continuano ad essere radioattivi finché non perdono abbastanza massa/particelle da diventare stabili. Tutti gli atomi sopra il numero atomico 82 (82 protoni, piombo) sono radioattivi.

Ci sono tre tipi principali di decadimento radioattivo: alfa, beta e gamma.

  • Il decadimento alfa è quando l'atomo spara fuori una particella che ha due protoni e due neutroni. Questo è essenzialmente un nucleo di elio. Il risultato è un elemento con numero atomico due in meno di prima. Così, per esempio, se un atomo di berillio (numero atomico 4) passasse attraverso il decadimento alfa diventerebbe elio (numero atomico 2). Il decadimento alfa avviene quando un atomo è troppo grande e deve liberarsi di una certa massa.
  • Il decadimento beta è quando un neutrone si trasforma in un protone o un protone si trasforma in un neutrone. Nel primo caso l'atomo spara fuori un elettrone. Nel secondo caso è un positrone (come un elettrone ma con una carica positiva). Il risultato finale è un elemento con un numero atomico più alto o più basso di prima. Il decadimento beta avviene quando un atomo ha troppi protoni o troppi neutroni.
  • Il decadimento gamma è quando un atomo spara fuori un raggio gamma, o onda. Succede quando c'è un cambiamento nell'energia del nucleo. Questo avviene di solito dopo che un nucleo è già passato attraverso il decadimento alfa o beta. Non c'è alcun cambiamento nella massa, o nel numero atomico o nell'atomo, ma solo nell'energia immagazzinata all'interno del nucleo.

Ogni elemento radioattivo o isotopo ha quello che viene chiamato un tempo di dimezzamento. Questo è il tempo che impiega la metà di ogni campione di atomi di quel tipo a decadere fino a diventare un diverso isotopo o elemento stabile. I grandi atomi, o isotopi con una grande differenza tra il numero di protoni e neutroni avranno quindi una lunga emivita, perché devono perdere più neutroni per diventare stabili.

Marie Curie ha scoperto la prima forma di radiazione. Trovò l'elemento e lo chiamò radio. Fu anche la prima donna a ricevere il premio Nobel.

Frederick Soddy ha condotto un esperimento per osservare cosa succede quando il radio decade. Ha messo un campione in una lampadina e ha aspettato che si decomponesse. Improvvisamente, nella lampadina è apparso dell'elio (contenente 2 protoni e 2 neutroni) e da questo esperimento ha scoperto che questo tipo di radiazione ha una carica positiva.

James Chadwick ha scoperto il neutrone, osservando i prodotti di decadimento di diversi tipi di isotopi radioattivi. Chadwick notò che il numero atomico degli elementi era inferiore alla massa atomica totale dell'atomo. Egli concluse che gli elettroni non potevano essere la causa della massa extra perché hanno a malapena massa.

Enrico Fermi, ha usato i neutroni per sparare all'uranio. Scoprì che l'uranio decadeva molto più velocemente del solito e produceva molte particelle alfa e beta. Credeva anche che l'uranio si trasformasse in un nuovo elemento da lui chiamato esperio.

Otto Hanh e Fritz Strassmann hanno ripetuto l'esperimento di Fermi per vedere se il nuovo elemento hesperium è stato effettivamente creato. Hanno scoperto due cose nuove che Fermi non ha osservato. Usando molti neutroni il nucleo dell'atomo si scinderebbe, producendo molta energia termica. Anche i prodotti di fissione dell'uranio erano già stati scoperti: torio, palladio, radio, radon e piombo.

Fermi notò poi che la fissione di un atomo di uranio sparava via più neutroni, che poi scindevano altri atomi, creando reazioni a catena. Si è reso conto che questo processo è chiamato fissione nucleare e potrebbe creare enormi quantità di energia termica.

Proprio quella scoperta di Fermi ha portato allo sviluppo della prima bomba nucleare, chiamata in codice "Trinity".


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