La Struttura dell'Atomo
Storia della Scoperta Atomica
Dalton (1803): Introduzione della teoria atomica
Thomson (1904): Modello a panettone, scoperta dell'elettrone
Rutherford (1911): Modello planetario dell'atomo
Bohr (1913): Modello quantizzato dell'atomo di idrogeno
Sommerfeld (1916): Introduzione delle orbite ellittiche
De Broglie (1924): Teoria dualistica della luce e della materia
Schrödinger (1926): Equazione d'onda per descrivere il comportamento degli elettroni
Modello standard (1967/68): Unificazione delle forze fondamentali in fisica
La Struttura Atomica di Rutherford e i Suoi Difetti
Caratteristiche del Modello Planetario
La maggior parte della massa dell'atomo è concentrata in un volume relativamente piccolo (nucleo atomico).
Gli elettroni orbitano attorno al nucleo simile ai pianeti attorno al sole.
Problemi del Modello Planetario
Secondo la teoria di Maxwell, gli elettroni in orbita intorno al nucleo perderebbero rapidamente energia per irraggiamento, collassando quindi sul nucleo.
Esperimenti dimostrano che gli atomi emettono e assorbono radiazione elettromagnetica in modi che il modello di Rutherford non può giustificare.
Critica alla Distribuzione di Massa e Carica
Il modello di Rutherford assume che la massa e la carica non siano distribuite uniformemente; le conoscenze scientifiche del periodo non sono sufficienti per giustificare questo modello.
Sviluppo Futuro
Questo modello sarà superato da Bohr, che applicherà i principi della meccanica quantistica al modello di Rutherford, introducendo postulati basati su studi spettroscopici.
Il Progresso Scientifico
Osservazioni sperimentali fondamentali:
Radiazione del corpo nero
Effetto fotoelettrico
Spettri di emissione dei gas
Questi progressi sono principalmente fondati sulle interazioni luce-materia (spettroscopia).
Modelli di Luce
Modello Corpuscolare vs Modello Ondulatorio
Isaac Newton (1600): La luce è formata da particelle che si propagano in linea retta.
Christiaan Huygens (1690): La luce è un fenomeno ondulatorio.
Entrambi i modelli giustificano, in prima approssimazione, il comportamento della luce, ma se la luce fosse un fenomeno ondulatorio, dovrebbe aggirare gli ostacoli.
La Radiazione Elettromagnetica
Teoria di Maxwell
Maxwell scoprì che una carica elettrica oscillante produce campi elettrici e magnetici perpendicolari che si propagano come onde.
Parametri delle Onde Elettromagnetiche
Lunghezza d'onda (l): distanza tra creste consecutive (cm).
Periodo (T): tempo tra due creste consecutive (s).
Frequenza (n): numero di creste osservate al secondo.
Ampiezza (A): valore massimo dell'onda.
Velocità (c): relazioni fondamentali tra lunghezza d'onda, frequenza e periodo:
La Natura Ondulatoria della Luce
L'energia della radiazione luminosa dipende dall'intensità e non dalla frequenza.
Lo Spettro Elettromagnetico
Classificazione delle onde elettromagnetiche in base alla lunghezza d'onda.
Spettroscopia
Spettroscopia di Emissione
La luce policromatica attraversa un prisma ottico e si scompone nelle radiazioni a diversa frequenza.
Spettroscopia di Assorbimento
La radiazione continua passa attraverso un gas e mostra assorbimento di radiazioni monocromatiche.
Meccanica Quantistica
Comportamento Duplicato della Luce
Richiesta di modelli entrambi ondulatori e corpuscolari per descrivere la luce.
Contributo di Planck
Planck introduce l'ipotesi che l'interazione tra radiazione e materia avvenga per trasferimento discreto di energia chiamato quanti:
dove
Quantizzazione
Suddivisione dell'energia in pacchetti definiti, con errore riducibile aumentando i valori usati.
Natura Corpuscolare della Radiazione
Einstein associa i pacchetti di energia (fotoni) alla quantità di moto:
Spettri di Emissione dei Gas
Gli spettri di emissione non sono continui e sono emessi da gas eccitati.
Conservazione dell'Energia
Cessione di energia da parte degli elettroni dell'atomo e emissione di radiazioni.
Scala Quantica
Gli elettroni possono assumere solo particolari valori di energia.
Il Modello Atomico di Bohr
Postulati di Bohr
Elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite circolari con raggio e energia determinati.
Momento angolare quantizzato.
Un elettrone non emette o assorbe energia fintanto che rimane nella sua orbita.
Transizioni energetiche avvengono emettendo o assorbendo radiazione conforme alla relazione:
Limiti del Modello di Bohr
Previsioni esclusivamente per idrogeno.
Introduzione della quantizzazione dell'energia, ma necessità di sviluppare una trattazione migliore.
Modello di Sommerfeld e Struttura Fine
Introduzione delle orbite ellittiche e dell'azimutale numero quantico l.
Principio di Indeterminazione di Heisenberg
Maggiore accuratezza nella posizione implica minore accuratezza nella quantità di moto.
Comportamento degli Elettroni in Campo Magnetico
Ruotano su se stessi generando un campo magnetico, con orientamenti opposti (spin).
Spin dell'Elettrone
Due valori per il numero quantico di spin ms: e .
Caratteristiche dell'Orbitale
Definizione di Orbitale
Rappresenta la regione di spazio con probabilità di trovare un elettrone.
Numeri Quantici
Caratterizza l'energia e la forma dell'orbitale.
Configurazioni Elettroniche
Costruzione delle Configurazioni Elettroniche
Basata sulle regole di Aufbau, principio di esclusione di Pauli e regola di Hund.
Conseguenze delle Configurazioni
L'energia degli orbitali aumenta al crescere del numero quantico secondario.
Elettroni in Atomi Polielettronici
Difficoltà nell'attraversamento della Schrödinger per più elettroni.
Densità di Probabilità Radiale
Calcolo basato sul volume e sulle funzioni d'onda.
Conclusioni e Riflessioni Finali
Le leggi della meccanica quantistica educano la comprensione del comportamento atomico e molecolare, rimuovendo l'idea di traiettoria in favore di un approccio probabilistico.