Storia dell'Atomismo e Teoria di Dalton

Atomi: Introduzione Storica

• Nell'Antica Grecia, i filosofi dibattevano se la materia fosse divisibile all'infinito o composta da particelle indivisibili
• Le fazioni si dividevano tra idealismo (Platone e Aristotele) e atomismo (Leucippo e Democrito)
• L'idealismo vedeva la materia come continua, con diverse proporzioni di fuoco, aria, terra e acqua
• L'atomismo postulava che la materia fosse fatta di particelle fondamentali indivisibili in uno spazio vuoto
• Nel Medioevo, la Chiesa promosse le idee di Aristotele, portando al declino dell'atomismo
• Nel 1654, Pierre Gassendi propose un corso sull'atomismo che ispirò Savenien Cyrano de Bergerac
• Cyrano immaginava l'universo infinito composto da atomi infiniti, solidi e semplici, di varie forme
• Già in epoca romana gli atomi venivano distinti in base alla loro forma

Teoria Atomica di Dalton (1808)

• John Dalton propose che "la materia è formata da piccolissime particelle indivisibili e indistruttibili chiamate ATOMI"
• Dalton usò palline di legno con fori per rappresentare gli atomi e i loro legami chimici
• Gli enunciati principali della teoria di Dalton sono:
  • Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa
  • Gli atomi di un elemento non possono essere trasformati in atomi di altri elementi
  • Gli atomi di un elemento si legano agli atomi di altri elementi solo per numeri interi
  • Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma trasferiti interi da un composto all'altro

Scoperta dell'Elettrone (1897)

• J.J. Thomson scoprì gli elettroni studiando la conducibilità elettrica attraverso gas rarefatti
• L'esperimento di Thomson consisteva nell'utilizzare tubi di vetro con elettrodi e una pompa da vuoto
• Thomson notò che si producevano "raggi catodici" che illuminavano sostanze particolari
• I raggi catodici si fermavano all'anodo, proiettando un'ombra, indicando che erano particelle dotate di massa e carica
• I raggi catodici si spostavano verso il polo positivo in un campo elettrico, provando che erano particelle cariche negativamente
• Thomson dimostrò che i raggi catodici potevano far ruotare un mulinello, confermando la loro massa
• Thomson scoprì che i raggi catodici, colpendo un metallo, producevano "raggi X"

Tubo a Raggi X

• Un tubo a raggi X è un tubo di vetro in cui viene fatto il vuoto
• All'interno c'è un filamento riscaldato che produce elettroni
• Gli elettroni escono dal catodo e colpiscono l'anodo (tungsteno), producendo raggi X
• I raggi X sono molto energetici e possono attraversare molti materiali, come la pelle
• Campi elettrici e magnetici non hanno alcun effetto sui raggi X
• I raggi X producono immagini su lastre fotografiche, come la luce visibile

Primi Esperimenti con i Raggi X

• Agli inizi del 1900, fu costruito un tubo a raggi X per uso medico
• La mano della moglie di uno scienziato fu la prima radiografia, il 22/12/1895

Misurazione della Carica dell'Elettrone (1909)

• Robert Millikan misurò la carica di un singolo elettrone: 1,6x10^-19 coulomb
• Millikan utilizzò un contenitore cilindrico con piastre cariche elettricamente e un nebulizzatore d'olio
• Millikan irradiò le goccioline d'olio con raggi X per caricarle negativamente
• Agendo sulla differenza di potenziale, Millikan isolò e bloccò una gocciolina carica nello spazio
• Conoscendo la densità dell'olio e la differenza di potenziale, Millikan calcolò la carica di un singolo elettrone

Scoperta della Radioattività Naturale (1896)

• Henri Becquerel scoprì che sali di uranio emettevano radiazioni capaci di impressionare lastre fotografiche al buio
• Becquerel capì che si trattava di radiazioni simili a quelle studiate da Roentgen
• Appoggiando una medaglia d'alluminio su una lastra fotografica con uranio sopra, solo le aree non coperte venivano impressionate

Isolamento del Polonio e del Radio (1898)

• Pierre e Marie Curie isolarono componenti radioattive nei minerali a base di uranio (polonio e radio)
• Partendo da una tonnellata di pechblenda, ottennero polonio e radio
• I Curie coniarono il termine "radioattività" per descrivere sostanze che emettono radiazioni a causa di elementi instabili che si trasformano in elementi più stabili nel tempo
• Marie Curie morì nel 1934 di anemia aplastica, per via dell'esposizione alle radiazioni.

Scoperta dei Raggi Alfa, Beta e Gamma (1898)

• Ernest Rutherford scoprì che le sorgenti radioattive emettono tre tipi di radiazioni: raggi Alfa, Beta e Gamma
• Paul Villard identificò i raggi Gamma
• Rutherford scoprì il protone, la particella positiva del nucleo(1919)
• I raggi Alfa sono particelle cariche positivamente
• In un esperimento, una sorgente radioattiva in un blocco di piombo con un foro emette radiazioni in una direzione

Caratteristiche e Potere di Penetrazione delle Radiazioni

• Raggi Alfa: poco penetranti, fermati dalla pelle o da un foglio di carta, ma molto nocivi
• Raggi Beta: 100 volte più penetranti degli Alfa, arrivano al muscolo, fermati da una lastra di piombo di mezzo cm
• Raggi Gamma: estremamente penetranti, creano danni notevoli, fermati da una lastra di piombo di almeno 10 cm

Misurazione della Radioattività

• Le particelle Alfa, Beta e Gamma inducono la formazione di cariche elettriche sulle molecole che incontrano
• L'aumento di conducibilità (es. dell'aria) permette di misurare la radioattività
• Hans Geiger propose il contatore Geiger nel 1910 per misurare la radioattività
• Il contatore Geiger contiene una scatola con una finestra trasparente e il vuoto al suo interno
• L'elettrodo centrale è carico positivamente, creando una differenza di potenziale con la scatola
• Le radiazioni ionizzano le molecole di gas all'interno, innescando una scarica di corrente e un colpo amplificato

Scoperta del Neutrone (1932)

• James Chadwick scoprì il neutrone, la particella neutra del nucleo
• Frederic Joliot e Irene Curie avevano osservato i neutroni, ma non li avevano riconosciuti come tali

Modelli Atomici

• Modello di Thomson (plum pudding): l'atomo è una sfera di carica positiva con elettroni negativi "sepolti" all'interno
• Modello di Rutherford (planetario): la massa dell'atomo è concentrata in un nucleo piccolo e denso, attorno al quale gli elettroni ruotano

Esperimento di Geiger (1909)

• Geiger bombardò una lamina d'oro sottile con particelle Alfa
• La maggior parte delle particelle Alfa attraversò la lamina con piccole deviazioni
• Alcune particelle Alfa vennero deviate profondamente, e pochissime rimbalzarono indietro
• Rutherford interpretò questo come prova che la massa dell'atomo è concentrata in un nucleo piccolo e denso

Costituenti dell'Atomo: Riepilogo

• Elettroni (e): carica -1,602x10^-19 C
• Protoni (p): carica +1,602x10^-19 C
• Neutroni (n): carica 0

Nucleo

• Protoni e neutroni (nucleoni) sono nel centro dell'atomo
• La carica elettrica atomica è 0 (numero protoni = numero elettroni)
• E vuoto attorno al nucleo

Dimensioni Atomo

• Le dimensioni dell'elettrone (circa 10^-18 m) sono piccole
• Nucleo (circa 10^-14 m)
• Atomo (circa 10^-10 m)

Isotopi

• Hanno masse diverse
• Stesso numero di protoni
• Percentuali diverse in natura
• Il comportamento chimico dei diversi isotopi è identico, non quello fisico

Rappresentazione Isotopi

• E = simbolo dell'elemento
• A = numero di massa (numero protoni + numero neutroni)
• Z = numero atomico (numero protoni)

Ioni

• Gli atomi possono acquistare o perdere elettroni e diventare ioni(cationi o anioni)

Legge di conservazione della massa (Antoine Lavoisier)

• In una reazione chimica, la materia non si crea e non si distrugge

Legge delle proporzioni definite

• Quando elementi reagiscono per formare un certo composto, si combinano secondo proporzioni in massa definite e costanti

Formula Molecolare

• Esprime il numero e il tipo di atomi in una molecola

Legge delle proporzioni multiple

• Se due elementi formano più composti, il rapporto tra le loro masse relative è rappresentato da numeri interi

Rappresenzationi Molecolari

• Formula molecolare (H2, H2O, NH3): quali atomi sono presenti ed in che numero
• Formula di struttura:ordine secondo il quale gli atomi sono legati
• Modello balf-and-stick: usa sfere di colore diverso per gli atomi, e bastoncini per i legami
• Modello space-filling: mostra le dimensioni relative degli atomi e la forma delle molecole

Peso Molecolare Atomo

• Peso (massa) atomico = peso (massa) di un atomo
• Peso (massa) molecolare = peso (massa) di una molecola

Unità Masse Atomiche

• U = 1/12 di un atomo di 12C

Mole

• La mole è pari a 6,022x10* particelle elementar
• Numero di Avogadro = 6,022x10*23 particelle/mol

Composti Idratati

• Struttura con acqua inglobata al suo interne

Reazione Chimica

• Trasformare un composto in un altro

Numero di Ossidazione

• Carica apparente di un elemento in un dato composto se fosse isolato
• GRUPPO I = +1
• GRUPPO II = +2
• GRUPPO III = +3
• OSSIGENO = -2
• ELEMENTI ISOLATI = 0

Equazione Chimica

• Bilanciamento delle reazioni SENZA variazione del numero di ossidazione: assicurato che la stessa quantità di elementi sia presente su entrambi i lati dell'equazione.
• Legge di conservazione della massa o di Lavoisier.
• Bilanciamento delle reazioni CON variazione del numero di ossidazione.

Reazione Nucleari

• Decadimento radioattivo: il nuvole si divide in tre parti
• Trasmutazione: si generano nuovi isotopi per collisione di due o più particelle.

Radiazioni Elettromagnetiche

• Rappresentano l'attrazione dei materiali con le diverse radiazioni elettromagnetiche.
• Nel 1666 Newton accoppiò due prismi ottici e dimostrò che la luce solare è composta da uno spettro continuo di diverse componenti cromatiche. -Nel 1873 secondo Maxwell la luce è un fenomeno ondulatorio dovuto a vibrazioni del campo magnetico ed elettrico che si propagano nello spazio in forma di onde elettromagnetiche
• Circa nel 1885 Hertz dimostrò sperimentalmente le idee di Maxwell.

Oscillazione Onde

• Lunghezza d'onda: distanza tra punti identici di due onde contigue/micrometri
• Frequenza (v): numero di volte al secondo in cui l'onda compie un ciclo completo
• Ampiezza (potenza o intensità): altezza verticale di una crosta
• Le onde quando passano per un prisma creano i riflessi dei colori

Effetto Fotoelettrico (Einstein)

• La luce che colpisce una superfice causa l'emissione di elettroni
• Per ogni metallo c'è una frequenza minima che deve avere la luce al di sotto della quale NON si osserva l'effetto.

Struttura Atomo

• Nel 1924 Louis de Broglie ipotizzò che la luce, si comportasse talvolta come una particella, e che gli elettroni, in genere assimilati a particelle, potessero talvolta comportarsi come onde
• 1 926 Erwin Schrodinger sviluppò l'idea di de Broglie concependo un'equazione (equazione d'onda), le cui soluzioni danno un set di funzioni matematiche

Numeri Quantici Atomo

• Numero quantico principale n: determina la distanza media dal nucleo
• Numero quantico angolare o azimutale l: determina la forma dell'orbitale
• Numero quantico magnetico m: descrive l'orientazione dell'orbitale nello spazio
• Gli elettroni all'interno schermano la carica nucleare che agisce sugli

Esplora l'evoluzione del concetto di atomo, dai filosofi greci come Democrito alla teoria atomica di Dalton nel 1808. Scopri come l'atomismo è stato soppiantato dall'idealismo aristotelico nel Medioevo e riscoperto in seguito. Approfondisci le idee di Gassendi e Cyrano sull'universo atomico.