Atomo

Da TecnoLogica.

Versione delle 17:33, 19 mar 2024

Unità fondamentale della materia avente una struttura interna composta da particelle sub-atomiche quali protoni, neutroni ed elettroni.

Descrizione

Gli atomi sono i costituenti fondamentali della materia che ci circonda e della quale abbiamo esperienza sensibile.
La sua struttura è molto complessa, ed è oggetto di studi della meccanica quantistica e del modello standard, che forniscono un’interpretazione fisico-matematica estremamente precisa e coincidente con i risultati sperimentali. La comprensione del modello atomico proposto da queste discipline richiede la conoscenza approfondita di concetti matematici molto complessi; in alternativa, è possibile ricorrere a modelli semplificati, più approssimativi ma in grado di cogliere i principali concetti che sono alla base delle interazioni tra atomi e tra le particelle sub atomiche che lo compongono.

Gli atomi sono strutture composte da due tipi di particelle:

• i nucleoni, che sono più pesanti e restano raggruppati in una zona che viene detta nucleo;
• gli elettroni, che hanno massa quasi nulla e si muovono incessantemente intorno al nucleo.

I nucleoni vengono poi distinti in due diversi tipi: i protoni, dotati di carica elettrica positiva, e i neutroni con carica elettrica nulla. Gli elettroni invece hanno carica elettrica negativa.

In natura, gli atomi non appaiono carichi elettricamente in quanto il numero dei protoni presenti nel nucleo è pari al numero di elettroni che orbitano intorno ad esso: l’equilibrio tra cariche positive e negative lo fa quindi essere elettricamente neutro. La quantità di neutroni presenti nel nucleo non comporta alcuna modifica rispetto alle proprietà elettriche.

Il numero di protoni (e quindi di elettroni) prende il nome di numero atomico (si indica con Z) e distingue gli atomi tra loro: due atomi con uguale numero atomico appaiono come aventi le stesse proprietà, e quindi risultano appartenenti allo stesso elemento chimico.
Il numero di nucleoni (protoni più neutroni) prende il nome di numero di massa (si indica con A) e da esso dipende la massa totale dell’atomo. Atomi del medesimo elemento ma con numeri di massa differenti hanno masse diverse.

Struttura

La struttura di un atomo è estremamente complessa, ed i suoi modelli teorici richiedono conoscenze estremamente dettagliate di matematica e di fisica. In particolare, il modello standard, nella cui base teorica si fondono la relatività ristretta e la meccanica quantistica, fornisce gli strumenti interpretativi e previsionali che maggiormente si accordano con i dati sperimentali. D’altro canto, la sua profonda comprensione forse trascende l’intelligenza umana^[1].

Nella maggioranza delle applicazioni pratiche può essere impiegato un modello estremamente semplificato, a patto di considerare vere delle affermazioni la cui dimostrabilità proviene appunto dal modello standard. In tale ottica, l’atomo ha una struttura che si compone di due parti distinte: il nucleo e la sua nube elettronica (modello atomico planetario o modello atomico di Rutherford).

Nucleo atomico

Il nucleo atomico è il centro dell’atomo, e in esso è concentrata quasi tutta la sua massa. È costituito da particelle distinte, i nucleoni, che sono tutte raccolte in uno spazio ristretto il cui diametro è nell’ordine di 10 ^–15 metri. I nucleoni sono a loro volta distinti in protoni e neutroni: i primi sono dotati di carica elettrica positiva (circa 1,602 x 10 ^–18 C) e massa (1,67 x 10 ^–27 kg), mentre i secondi sono elettricamente neutri ma hanno massa di poco maggiore (circa 1,675 x 10 ^–27 kg).
La quantità Z di protoni, detta numero atomico determina le proprietà chimiche di quel particolare elemento, mentre il numero A di tutti i nucleoni, detto numero di massa, ne determina le proprietà nucleari. Due atomi aventi lo stesso numero atomico ma differenti numeri di massa si dicono isotopi differenti del medesimo elemento.

Il nucleo è carico positivamente, e sviluppa intorno a sé un campo elettromagnetico tanto più intenso quanto maggiore è il numero dei suoi protoni, ed è pari al prodotto pZ, avendo indicato con p l’unità di carica di 1,602 x 10 ^–18 coulomb.

I protoni tenderebbero ad allontanarsi proprio a causa delle forze repulsive che si instaurano tra cariche dello stesso segno, ma su di essi agisce anche l’interazione forte: si tratta della forza di intensità tale da superare tutte le altre osservabili in natura, e il cui raggio di azione è ridotto al solo diametro del nucleo. Questo spiega perché non si osservano atomi con numero atomico elevato in quanto l’aggiunta di ulteriori protoni al nucleo li renderebbe troppo lontani per poter subire l’interazione forte. Tale interazione agisce anche sulle particelle elementari che compongono i nucleoni: i quark. Protoni e neutroni sono infatti a loro volta composti ognuno da tre quark differenti: due quark up e un quark down per il primo, ed un quark up e due quark down per il secondo.

Nube elettronica

Intorno al nucleo atomico è presente una nube elettronica che può approssimativamente essere immaginata come generata dal movimento di elettroni “catturati” dal campo elettromagnetico generato dal nucleo. Gli elettroni infatti sono particelle elementari (cioè non ulteriormente suddivisibili) che possiedono carica elettrica negativa di intensità pari e contraria a quella dei protoni (con e^– = –1,602 x 10 ^–18 coulomb); immersi nel campo elettromagnetico, si dispongono a distanze progressive che rispettano i seguenti criteri:

• quantizzazione dell’energia elettromagnetica;
• il Principio dell’Aufbau;
• la funzione d’onda
• la Regola di Hund;
• il Principio di esclusione di Pauli.

La distribuzione degli elettroni intorno al nucleo prende il nome di configurazione elettronica.

L’energia elettromagnetica non è una grandezza continua, nel senso che non può variare con continuità perché è formata dalla somma di quantità elementari (i fotoni) dette genericamente quanti: per tale motivo è quantizzata. Un elettrone immerso nel campo elettromagnetico del nucleo possiede quindi un’energia potenziale dipendente dalla sua posizione: se immaginiamo approssimativamente l’elettrone in orbita circolare intorno al nucleo, la sua energia potenziale dipenderebbe dal raggio del cerchio. Dato tale energia è quantizzata, sono possibili solo alcune determinate distanze rispetto al nucleo; tali distanze corrispondono a differenti livelli energetici o gusci, e sono numerate da 1 a 8 (numeri maggiori non appartengono a nuclei stabili). Questi numeri, sono indicati genericamente con la lettera n, ed ognuno di essi è detto numero quantico principale: più è alto il numero quantico, maggiore è l’energia potenziale dell’elettrone.

Per tale motivo, gli elettroni tendono ad occupare prima i livelli energetici più bassi, e solo successivamente quello a maggiore energia (Principio di Aufbau). La presenza di livelli energetici, dimostrata nell’ambito della meccanica quantistica, spiega anche il motivo per il quale gli elettroni, attirati dal nucleo, non “precipitano” su di esso: i livelli di energia associati alle orbite sono più bassi rispetto all’energia necessaria per precipitare.

Il modello atomico planetario considera gli elettroni come particelle in movimento intorno al nucleo; nel più completo modello a nucleo interno e orbitale atomico esterno l’idea che una particella elementare si muova lungo una traiettoria viene definitivamente abbandonata (per il Principio di indeterminazione di Heisenberg). Si parla piuttosto della probabilità che un elettrone venga individuato in una certa regione di spazio in un particolare momento, e la relazione che permette di calcolare tale probabilità viene detta funzione d’onda (indicata con la lettera greca Ψ). La superficie di equiprobabilità, cioè il luogo geometrico sul quale la possibilità di ritrovare l’elettrone è pari al 95%, è detta orbitale. Ogni livello energetico n si compone di n orbitali, numerati da 0 a n–1 (numero quantico orbitale indicato con la lettera l); la loro forma e l’orientamento nello spazio diventano sempre più complessi al crescere di n e di l. In particolare, ogni orbitale l può assumere più configurazioni nello spazio, ognuna delle quali è contraddistinta da un numero quantico magnetico, indicato con m_l che assume tutti i valori interi compresi tra –l e +l.

Secondo la Regola di Hund ogni orbitale accetta prima un solo elettrone; quando tutti gli orbitali di un livello sono occupati, allora nuovi elettroni prendono posto nei medesimi orbitali, formando delle coppie. Quando tutti gli orbitali ospitano una coppia, si passa al livello successivo. Gli orbitali infatti devono rispettare anche il Principio di esclusione di Pauli per il quale un orbitale può ospitare solo elettroni con spin differente. Lo spin è una proprietà magnetica delle particelle che per gli elettroni può assumere solo due valori (–1/2 e +1/2); ne consegue che un orbitale può accettare solo due elettroni.

Ogni livello n quindi possiede n orbitali, ogni orbitale si presenta con m_l configurazioni spaziali differenti. Ne consegue che l’n-esimo livello può ospitare 2 n² elettroni.

Configurazione elettronica=== La configurazione elettronica di un atomo indica come i suoi elettroni occupano gli orbitali; per fare ciò si utilizza una particolare stringa alfanumerica.

Per prima cosa occorre indicare i diversi orbitali impiegando un codice composto da un numero corrispondente al numero quantico principale, ed una lettera a cui corrisponde invece il numero quantico orbitale, ed in particolare:

• s corrisponde a 0;
• p corrisponde a 1;
• d corrisponde a 2;
• f corrisponde a 3.

Ricordando che per ogni numero quantico principale n vi sono numeri quantici orbitali l che vanno da 0 a n–1, allora si avranno gli orbitali: