Gli atomi sono le unità di base della materia e la struttura che definisce gli elementi. Il termine “atomo” deriva dalla parola greca per indivisibile, perché una volta si pensava che gli atomi fossero le cose più piccole dell’universo e non potessero essere divisi. Ora sappiamo che gli atomi sono costituiti da tre particelle: protoni, neutroni ed elettroni — che sono composti da particelle ancora più piccole, come i quark.
Gli atomi sono stati creati dopo il Big Bang 13,7 miliardi di anni fa., Mentre il nuovo universo caldo e denso si raffreddava, le condizioni diventavano adatte alla formazione di quark ed elettroni. Quark si sono riuniti per formare protoni e neutroni, e queste particelle combinati in nuclei. Tutto ciò ha avuto luogo nei primi minuti dell’esistenza dell’universo, secondo il CERN.
Ci sono voluti 380.000 anni perché l’universo si raffreddasse abbastanza da rallentare gli elettroni in modo che i nuclei potessero catturarli per formare i primi atomi. I primi atomi erano principalmente idrogeno ed elio, che sono ancora gli elementi più abbondanti nell’universo, secondo Jefferson Lab., La gravità alla fine ha causato la fusione di nubi di gas e la formazione di stelle, e atomi più pesanti sono stati (e sono ancora) creati all’interno delle stelle e inviati in tutto l’universo quando la stella è esplosa (supernova).
Particelle atomiche
Protoni e neutroni sono più pesanti degli elettroni e risiedono nel nucleo al centro dell’atomo. Gli elettroni sono estremamente leggeri ed esistono in una nuvola che orbita attorno al nucleo. La nube di elettroni ha un raggio 10.000 volte maggiore del nucleo, secondo il Los Alamos National Laboratory.,
Protoni e neutroni hanno approssimativamente la stessa massa. Tuttavia, un protone è circa 1.835 volte più massiccio di un elettrone. Gli atomi hanno sempre un numero uguale di protoni ed elettroni, e il numero di protoni e neutroni è di solito lo stesso. L’aggiunta di un protone a un atomo rende un nuovo elemento, mentre l’aggiunta di un neutrone rende un isotopo, o versione più pesante, di quell’atomo.
Nucleo
Il nucleo fu scoperto nel 1911 da Ernest Rutherford, un fisico neozelandese., Nel 1920, Rutherford propose il nome protone per le particelle cariche positivamente dell’atomo. Ha anche teorizzato che ci fosse una particella neutra all’interno del nucleo, che James Chadwick, un fisico britannico e studente di Rutherford, è stato in grado di confermare nel 1932.
Praticamente tutta la massa di un atomo risiede nel suo nucleo, secondo LibreTexts chimica. I protoni e i neutroni che compongono il nucleo hanno approssimativamente la stessa massa (il protone è leggermente inferiore) e hanno lo stesso momento angolare o spin.,
Il nucleo è tenuto insieme dalla forza forte, una delle quattro forze fondamentali in natura. Questa forza tra protoni e neutroni supera la forza elettrica repulsiva che altrimenti spingerebbe i protoni a parte, secondo le regole dell’elettricità. Alcuni nuclei atomici sono instabili perché la forza di legame varia per diversi atomi in base alle dimensioni del nucleo. Questi atomi poi decadono in altri elementi, come il carbonio-14 che decade in azoto-14.
Protoni
I protoni sono particelle cariche positivamente presenti all’interno dei nuclei atomici. Rutherford li scoprì in esperimenti con tubi a raggi catodici condotti tra il 1911 e il 1919. I protoni sono circa il 99,86% massicci come i neutroni.
Il numero di protoni in un atomo è unico per ogni elemento. Ad esempio, gli atomi di carbonio hanno sei protoni, gli atomi di idrogeno ne hanno uno e gli atomi di ossigeno ne hanno otto. Il numero di protoni in un atomo è indicato come il numero atomico di quell’elemento., Il numero di protoni determina anche il comportamento chimico dell’elemento. Gli elementi sono disposti nella Tavola periodica degli Elementi in ordine crescente di numero atomico.
Tre quark costituiscono ogni protone — due quark “up” (ciascuno con una carica positiva di due terzi) e un quark “down” (con una carica negativa di un terzo)-e sono tenuti insieme da altre particelle subatomiche chiamate gluoni, che sono senza massa.
Elettroni
Gli elettroni sono minuscoli rispetto ai protoni e ai neutroni, oltre 1.800 volte più piccoli di un protone o di un neutrone., Gli elettroni sono circa lo 0,054% massicci come i neutroni, secondo Jefferson Lab.
Joseph John (JJ) Thomson, un fisico britannico, scoprì l’elettrone nel 1897, secondo l’Istituto di storia della scienza. Originariamente conosciuti come” corpuscoli”, gli elettroni hanno una carica negativa e sono attratti elettricamente dai protoni caricati positivamente. Elettroni circondano il nucleo atomico in percorsi chiamati orbitali, un’idea che è stata avanzata da Erwin Schrödinger, un fisico austriaco, nel 1920. Oggi, questo modello è noto come il modello quantistico o il modello di nube di elettroni., Gli orbitali interni che circondano l’atomo sono sferici, ma gli orbitali esterni sono molto più complicati.
La configurazione elettronica di un atomo si riferisce alle posizioni degli elettroni in un atomo tipico. Utilizzando la configurazione elettronica e i principi della fisica, i chimici possono prevedere le proprietà di un atomo, come stabilità, punto di ebollizione e conduttività, secondo il Los Alamos National Laboratory.
Neutroni
L’esistenza del neutrone fu teorizzata da Rutherford nel 1920 e scoperta da Chadwick nel 1932, secondo l’American Physical Society., I neutroni sono stati trovati durante gli esperimenti quando gli atomi sono stati sparati su un sottile foglio di berillio. Sono state rilasciate particelle subatomiche senza carica: il neutrone.
I neutroni sono particelle non caricate che si trovano all’interno di tutti i nuclei atomici (ad eccezione dell’idrogeno). La massa di un neutrone è leggermente più grande di quella di un protone. Come i protoni, anche i neutroni sono fatti di quark – un quark ” up “(con una carica positiva 2/3) e due quark” down ” (ciascuno con una carica negativa di un terzo).
Storia dell’atomo
La teoria dell’atomo risale almeno al 440 a. C., a Democrito, scienziato e filosofo greco. Democrito probabilmente costruì la sua teoria degli atomi sul lavoro dei filosofi del passato, secondo Andrew G. Van Melsen, autore di “From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom” (Duquesne University Press, 1952).
La spiegazione dell’atomo di Democrito inizia con una pietra. Una pietra tagliata a metà dà due metà della stessa pietra. Se la pietra dovesse essere continuamente tagliata, ad un certo punto esisterebbe un pezzo di pietra abbastanza piccolo da non poter più essere tagliato., Il termine “atomo” deriva dalla parola greca per indivisibile, che Democrito ha concluso deve essere il punto in cui un essere (qualsiasi forma di materia) non può essere diviso più.
La sua spiegazione includeva le idee che gli atomi esistono separatamente l’uno dall’altro, che ci sono una quantità infinita di atomi, che gli atomi sono in grado di muoversi, che possono combinarsi per creare materia ma non si fondono per diventare un nuovo atomo, e che non possono essere divisi, secondo l’Universo Oggi., Tuttavia, poiché la maggior parte dei filosofi dell’epoca — specialmente l’influente Aristotele — credeva che tutta la materia fosse creata dalla terra, dall’aria, dal fuoco e dall’acqua, la teoria atomica di Democrito fu messa da parte.
John Dalton, un chimico britannico, ha costruito sulle idee di Democrito nel 1803 quando ha presentato la sua teoria atomica, secondo il dipartimento di chimica della Purdue University. La teoria di Dalton includeva diverse idee di Democrito, come gli atomi sono indivisibili e indistruttibili e che diversi atomi si formano insieme per creare tutta la materia., Le aggiunte di Dalton alla teoria includevano le seguenti idee: Che tutti gli atomi di un certo elemento erano identici, che gli atomi di un elemento avranno pesi e proprietà diversi dagli atomi di un altro elemento, che gli atomi non possono essere creati o distrutti e che la materia è formata da atomi che si combinano in semplici numeri interi.
Thomson, il fisico britannico che scoprì l’elettrone nel 1897, dimostrò che gli atomi possono essere divisi, secondo la Chemical Heritage Foundation., Fu in grado di determinare l’esistenza di elettroni studiando le proprietà della scarica elettrica nei tubi a raggi catodici. Secondo il documento di Thomson del 1897, i raggi erano deviati all’interno del tubo, il che dimostrò che c’era qualcosa che era caricato negativamente all’interno del tubo a vuoto. Nel 1899, Thomson pubblicò una descrizione della sua versione dell’atomo, comunemente nota come “plum pudding model”.”Un estratto di questo documento si trova sul sito del team di Chem., Il modello dell’atomo di Thomson includeva un gran numero di elettroni sospesi in qualcosa che produceva una carica positiva dando all’atomo una carica neutra complessiva. Il suo modello assomigliava al plum pudding, un popolare dessert britannico che aveva l’uvetta sospesa in una palla rotonda simile a una torta.
Il prossimo scienziato a modificare e far avanzare ulteriormente il modello atomico fu Rutherford, che studiò sotto Thomson, secondo il dipartimento di chimica della Purdue University. Nel 1911, Rutherford pubblicò la sua versione dell’atomo, che includeva un nucleo carico positivamente orbitato da elettroni., Questo modello sorse quando Rutherford e i suoi assistenti spararono particelle alfa su sottili fogli d’oro. Una particella alfa è composta da due protoni e due neutroni, tutti tenuti insieme dalla stessa forte forza nucleare che lega il nucleo, secondo il Laboratorio di Jefferson.
Gli scienziati hanno notato che una piccola percentuale delle particelle alfa erano sparse ad angoli molto grandi rispetto alla direzione originale del movimento mentre la maggior parte passava attraverso appena disturbata., Rutherford è stato in grado di approssimare la dimensione del nucleo dell’atomo d’oro, trovando che fosse almeno 10.000 volte più piccolo della dimensione dell’intero atomo con gran parte dell’atomo essendo spazio vuoto. Il modello dell’atomo di Rutherford è ancora il modello base utilizzato oggi.,
Diversi altri scienziati promosso il modello atomico, tra cui Niels Bohr (costruito su di Rutherford il modello per includere proprietà di elettroni basata sull’idrogeno spettro), Erwin Schrödinger (sviluppato il quantum modello di atomo), Werner Heisenberg (ha dichiarato che non si può conoscere la posizione e la velocità di un elettrone contemporaneamente), e Murray Gell-Mann e George Zweig (indipendentemente sviluppato la teoria che i protoni e i neutroni sono composti di quark).