Il modello atomico: i 5 tipi più conosciuti

Gli scienziati hanno cercato per lungo tempo di creare un modello fisico, che potesse spiegare la struttura di un atomo e la collocazione reciproca delle cariche elettriche presenti in esso. Tale modello prende il nome di modello atomico e viene elaborato a partire da prove sperimentali solide e correttamente elaborate.
Ma qual è la storia di questi modelli atomici? Quanti ne furono creati e su quali basi? Oggi cercheremo di rispondere a queste domande.

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1. Il modello atomico di Dalton

Nel 1808, John Dalton, un chimico e fisico inglese, elabora il suo modello atomico, che definisce gli atomi come delle particelle microscopiche, indivisibili e solide, paragonabili a delle palle da biliardo. Tale modello atomico si basa su tre delle leggi fondamentali della chimica: la legge di conservazione di massa di Lavoisier, la legge delle proporzioni definite di Proust e la legge di Dalton, da lui stesso creata. In virtù di queste leggi, il modello atomico di Dalton ha alcune caratteristiche fondamentali riguardanti gli atomi di uno stesso elemento, ossia:

• sono uguali tra loro e condividono la stessa massa.
• non si possono convertire in atomi di un altro elemento.
• possono essere combinati solamente con numeri interi di atomi di un altro elemento.
• non possono essere né creati, né distrutti. Per questa ragione, in una reazione chimica, essi si trasferiscono interi formando nuovi composti.

2. Il modello di Thomson

Abbiamo visto che nel modello atomico di Dalton, l’atomo è considerato una particella sferica, solida ed indivisibile. Del resto, Dalton non conosceva l’esistenza di elettroni e protoni, particelle subatomiche scoperte tra la fine del XIX secolo e gli inizi del XX. Proprio per questa ragione, il modello atomico di Dalton non è in grado di spiegare i fenomeni elettrici degli atomi.

Il primo modello che cerca di descrivere la collocazione reciproca delle cariche elettriche all’interno di un atomo è il modello atomico di Thomson.
Joseph John Thomson è stato un fisico inglese, che nel 1897, a seguito dei suoi esperimenti con i tubi a raggi catodici, scoprì l’esistenza di una particella subatomica, avente carica elettrica negativa: l’elettrone. In virtù di questa sua scoperta, elaborò un modello atomico che lui stesso definì “a panettone”.

Secondo Thomson, poiché la materia è elettricamente neutra e dunque non manifesta gli effetti delle cariche elettriche, la quantità di cariche positive deve essere uguale alla quantità di cariche negative, in modo da annullarsi reciprocamente. Pertanto, se nell’atomo sono presenti gli elettroni, devono esserci anche delle cariche elettriche positive che vadano ad annullare la carica negativa degli elettroni.
Quello che Thomson descrive è un atomo visto come una sorta di nuvola sferica, avente una carica elettrica positiva, all’interno della quale gli elettroni sono disposti in modo casuale “come l’uvetta nel panettone”. Il numero degli elettroni è tale che l’atomo risulta elettricamente neutro.

3. Il modello di Rutherford

Il modello atomico di Thomson venne presto superato, a seguito di un esperimento condotto dallo scienziato neozelandese Ernest Rutherford nel 1911. L’esperimento in questione era volto ad analizzare il comportamento delle particelle α, quando queste venivano lanciate contro una sottilissima lamina d’oro.
Ma cosa sono esattamente queste particelle? Le particelle α sono delle radiazioni corpuscolari, composte da due neutroni e due protoni e che dunque hanno carica elettrica positiva.
Ciò detto, andiamo ad esaminare più da vicino l’esperimento condotto da Rutherford ed i risultati a cui esso portò.

Le particelle α, provenienti da una sorgente radioattiva, vengono lanciate contro una sottilissima lamina d’oro, attorno alla quale è stato disposto uno schermo fluorescente. Questo schermo ha una doppia utilità: impedisce alle particelle di disperdersi nell’aria e registra il loro punto d’impatto. Questo significa che, attraverso lo schermo fluorescente, possiamo capire cosa succede quando le particelle vengono lanciate contro la lamina d’oro.

Nel corso dell’esperimento, si notò che le particelle α si comportavano in modi diversi: se la maggior parte delle particelle attraversava la lamina d’oro senza difficoltà, altre non ci riuscivano ed anzi venivano bruscamente spinte indietro; altre ancora subivano solo una leggera deviazione.
Cerchiamo ora di capire a cosa sono dovuti questi risultati.

Nel primo caso, abbiamo osservato che le particelle riuscivano ad attraversare senza problemi la lamina d’oro, senza essere deviate. Questo significa che, nel loro percorso, non hanno incontrato alcun ostacolo ed hanno dunque attraversato uno spazio vuoto.

In secondo luogo, abbiamo visto che alcune particelle rimbalzavano bruscamente all’indietro. Poiché noi sappiamo che le particelle α hanno carica elettrica positiva, questo loro comportamento si spiega solamente nel caso in cui, lungo il loro percorso, abbiano incontrato un nocciolo di cariche elettriche positive. Quest’ultimo, esercitando una grande forza di repulsione sulle particelle α, le rispediva indietro.
Infine, abbiamo osservato che alcune particelle α venivano leggermente deviate. Questo comportamento è dovuto al fatto che la traiettoria di queste particelle passava vicino al nocciolo di cariche positive e dunque ne subiva l’influsso.

Sulla base di questi risultati, Rutherford elaborò il suo modello atomico.

Il modello atomico di Rutherford o modello atomico nucleare vede l’atomo come una sfera, al cui centro si trova un nucleo (formato da neutroni e protoni) di carica elettrica positiva. La massa dell’atomo si concentra nel nucleo stesso. Per quanto riguarda gli elettroni, questi occupano lo spazio vuoto attorno al nucleo e si muovono attorno ad esso, descrivendo orbite circolari.

4. Il modello di Bohr

Con l’avvento della teoria quantistica, il modello atomico di Bohr prese il posto a quello di Rutherford.
Secondo il modello atomico di Bohr, gli elettroni si dispongono su delle orbite quantizzate, in base al loro livello di energia.

Prima di andare a descrivere il modello in sé, è importante aprire una piccola parentesi: cosa sono i quanti di energia, sui quali si basa appunto la teoria quantistica?
I quanti, o fotoni, sono dei corpuscoli, simili a dei “pacchetti di energia”, di cui sono costituite le radiazioni elettromagnetiche.
L’energia associata a ciascun fotone si calcola moltiplicando la costante di Planck (h) con la frequenza delle radiazioni elettromagnetiche (v):

E = h • v

Ciò detto, possiamo andare a descrivere i punti fondamentali del modello atomico di Bohr:

• Se nella rotazione attorno al nucleo, l’elettrone non perde ne acquisisce energia, l’orbita su cui si trova è detta stazionaria.
• Un elettrone può passare ad un’orbita più distante dal nucleo solo se acquisisce una sufficiente quantità di energia. Quando lo fa, si dice che l’elettrone è in uno stato eccitato.
• Quando un elettrone passa ad un’orbita più vicina al nucleo, disperde energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
• Il quanto di energia della radiazione emessa è pari alla differenza di energia tra le due orbite.

5. Il modello atomico ad orbitali

Il modello atomico successivo a quello di Bohr fu il modello atomico ad orbitali, che individua delle zone (orbitali) in cui è alta la probabilità di trovare un elettrone in movimento, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Le proprietà degli orbitali sono definite da quattro numeri quantici: n, l, m ed m_s o numero quantico di spin.
Il numero quantico principale (n) va ad indicare il livello energetico dell’orbitale e può avere un valore compreso tra 0 ed ∞, tuttavia esistono solamente 7 livelli energetici. Gli elettroni si dispongono su questi 7 livelli a partire da quello con energia inferiore e non possono passare al livello successivo, senza prima aver completato il precedente.
Il numero quantico secondario (l) indica invece la forma dell’orbitale e dunque il suo sottolivello energetico (s, p, d, f):

• s: Forma sferica; ha un solo orbitale.
• p: Forma bilobata; ha tre orbitali.
• d: Forma plurilobata; ha cinque orbitali.
• f: Forma plurilobata articolata; ha sette orbitali.

I valori di questo numero quantico sono compresi tra 0 ed (n-1).

Il numero quantico magnetico (m) definisce le proprietà di un orbitale sotto l’influsso di un campo magnetico. Il suo valore oscilla tra -l e +l compreso lo zero.
Infine, abbiamo il numero quantico di spin (m_s), che descrive come si dispone un orbitale all’interno di un campo magnetico e può essere parallelo o opposto. Assume il valore di + quando è parallelo e – quando è opposto.

Secondo il principio di esclusione di Pauli, in un orbitale gli elettroni non possono avere in comune tutti e quattro i numeri quantici. Considerato che i primi tre numeri quantici sono comuni a tutti gli elettroni di un orbitale, gli elettroni dovranno avere spin opposto.

Così si conclude questa breve spiegazione sui vari modelli atomici.

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Ginevra

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