La struttura dell’atomo

Quando andiamo ad affrontare materie come la chimica e la fisica, è impossibile non scontrarci con uno specifico argomento: la struttura dell’atomo. Come ben sappiamo, l’atomo è la più piccola particella di un elemento chimico e si trova alla base di tutte le sostanze organiche ed inorganiche esistenti.
Ma l’atomo stesso da cosa è costituito?

Struttura dell’atomo

Cerchiamo innanzitutto di partire delineando un quadro generale: l’atomo è costituito da un nucleo, formato da protoni e neutroni, attorno al quale orbitano gli elettroni. Queste tre particelle (protoni, neutroni ed elettroni) prendono il nome di particelle subatomiche e si distinguono tra loro per massa e carica elettrica.

Prima di proseguire, è importante definire proprio quest’ultimo concetto: cosa si intende per carica elettrica.
La carica elettrica è una proprietà della materia che si trova alla base di tutti i fenomeni elettrici e può essere di due tipi: positiva (segno +) e negativa (segno -).
Normalmente, i corpi hanno una carica elettrica neutra poiché contengono un’uguale quantità di cariche elettriche positive e negative che si annullano reciprocamente.

Detto ciò, possiamo finalmente andare ad analizzare più nello specifico le singole particelle subatomiche a cominciare con l’elettrone.

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Le particelle sub-atomiche

Elettroni

Joseph John Thomson

Gli elettroni sono le più piccole particelle con carica elettrica negativa e sono presenti in tutti gli atomi.

Furono scoperti nel 1897 dallo scienziato inglese Joseph John Thomson, attraverso il suo esperimento del tubo a raggi catodici.
Ciò che fece Thomson fu prendere un tubo di vetro, pieno di gas rarefatto, inserendo al suo interno due elettrodi: l’anodo  (avente carica elettrica positiva) ed il catodo (avente carica elettrica negativa). Riducendo la pressione del gas ed aumentando la carica elettrica accumulata sugli elettrodi, si poté notare che dal catodo venivano emessi dei fasci luminosi, chiamati appunto raggi catodici.

Dopo aver analizzato questi fasci luminosi, si capì che essi erano formati da delle particelle di carica negativa, aventi una massa molto inferiore rispetto a quella dell’atomo più piccolo esistente (l’idrogeno). A seguito di più esperimenti fu anche possibile notare che queste particelle erano sempre uguali, indipendentemente dal tipo di gas che si trovava all’interno del tubo di vetro.
Queste particelle furono appunto chiamate elettroni.

La carica elettrica degli elettroni è detta anche carica elementare e vale convenzionalmente -1 C (Coloumb). Tuttavia, secondo il Sistema Internazionale, la carica dell’elettrone (arrotondata a tre cifre significative) vale -1,602 • 10^-19 C.

Protone

La seconda particella subatomica che andremo ad esaminare è il protone, ovvero la più piccola particella con carica elettrica positiva presente in tutti gli atomi.

Ernest Ruthenford

Questa fu scoperta intorno agli inizi del XX secolo dallo scienziato neozelandese Ernest Rutherford, che condusse un esperimento molto simile a quello del tubo catodico di Thomson: prendendo sempre un tubo di vetro, contenente del gas rarefatto, inserì al suo interno un catodo opportunamente forato ed un anodo. Grazie a questo esperimento si poté notare  che dietro il catodo forato si andava a creare una luminescenza, ottenuta da uno spostamento di particelle provenienti dall’anodo, che andavano a costituire i cosiddetti raggi canale.
Queste particelle erano appunto i protoni: avevano carica elettrica positiva, una massa molto maggiore rispetto a quella dell’elettrone e variavano in base al tipo di gas contenuto all’interno del tubo di vetro.

La carica elettrica del protone vale convenzionalmente +1 C, mentre vale +1,602 • 10^-19 C, secondo il Sistema Internazionale.
Per quanto riguarda la sua massa, questa vale 1,007 u (unità di massa atomica).
È dunque evidente che pur avendo una massa di molto superiore rispetto a quella dell’elettrone (0,0005486 u), queste particelle hanno cariche elettriche uguali, ma di segno opposto. A ciò si aggiunge il fatto che in un atomo troviamo sempre lo stesso numero di protoni ed elettroni. Pertanto, l’atomo è elettricamente neutro.

Neutrone

Infine abbiamo il neutrone.
I neutroni sono delle particelle di massa poco più grande rispetto a quella dei protoni ed hanno carica elettrica neutra. Furono scoperti nel 1932 dal fisico inglese James Chadwick, attraverso un esperimento che coinvolgeva le particelle α del polonio.
Entrando nello specifico, Chadwick osservò che, bombardando un atomo di berillio con le particelle α del polonio, il berillio stesso era in grado di prodorre una radiazione penetrante.

L’ipotesi di Chadwick fu che questa misteriosa radiazione fosse composta da particelle tutte uguali. Queste ultime, poiché non risentivano dell’influsso di un campo elettrico o di un campo magnetico, dovevano necessariamente avere una carica elettrica neutra. Il termine neutroni nasce proprio per tale ragione.

I neutroni, a differenza dei protoni e degli elettroni, non sono presenti negli atomi di tutti gli elementi: fa eccezione l’idrogeno, i cui atomi sono del tutto privi di neutroni.
Per quanto riguarda la loro massa, come già osservato in precedenza, i neutroni sono leggermente più grandi dei neutroni, con una massa di 1,009 u.
Inoltre, esattamente come nel caso degli elettroni, le caratteristiche dei neutroni sono sempre uguali, indipendentemente dall’atomo di appartenenza.

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Numero atomico e massa

Ora che abbiamo analizzato più nello specifico le particelle subatomiche, possiamo passare agli ultimi due elementi fondamentali da prendere in considerazione quando siparla della struttura dell’atomo: il numero atomico ed il numero di massa.

• Il numero atomico (Z) indica il numero di protoni presenti all’interno del nucleo dell’atomo di un elemento e ne rappresenta l’identità chimica.
  Il concetto di identità chimica è strettamente legato al modello atomico di Dalton, secondo cui, nelle trasformazioni chimiche i nuclei degli atomi coinvolti restano inalterati.
• Invece, il numero di massa (A)  corrisponde al numero totale di neutroni e protoni presenti all’interno dell’atomo di un elemento. Conoscere il numero di massa di un atomo è fondamentale quando si va a definire la stabilità del nucleo.

Con questo abbiamo concluso la nostra analisi sulla struttura dell’atomo.

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