Quali sono le parti di un atomo?

Dall’inizio dei tempi, gli esseri umani hanno cercato di capire di cosa sia composto l’universo e tutto ciò che è al suo interno. E mentre gli antichi magi e filosofi concepivano un mondo composto da quattro o cinque elementi-terra, aria, acqua, fuoco (e metallo, o coscienza) – dall’antichità classica, i filosofi cominciarono a teorizzare che tutta la materia era in realtà composta da atomi minuscoli, invisibili e indivisibili.

Da quel momento, gli scienziati si sono impegnati in un processo di scoperta continua con l’atomo, sperando di scoprire la sua vera natura e il suo trucco., Con il 20 ° secolo, la nostra comprensione è diventato raffinato al punto che siamo stati in grado di costruire un modello accurato di esso. E nell’ultimo decennio, la nostra comprensione è avanzata ancora di più, al punto che siamo arrivati a confermare l’esistenza di quasi tutte le sue parti teorizzate.

Oggi la ricerca atomica si concentra sullo studio della struttura e della funzione della materia a livello subatomico. Questo non consiste solo nell’identificare tutte le particelle subatomiche che si pensa costituiscano un atomo, ma nell’indagare le forze che le governano., Questi includono forze nucleari forti, forze nucleari deboli, elettromagnetismo e gravità. Ecco una ripartizione di tutto ciò che siamo venuti a conoscere l’atomo finora Structure

Struttura dell’atomo:

Il nostro attuale modello dell’atomo può essere suddiviso in tre parti costituenti: protoni, neutroni ed elettroni. Ognuna di queste parti ha una carica associata, con protoni che trasportano una carica positiva, elettroni che hanno una carica negativa e neutroni che non possiedono alcuna carica netta., Secondo il modello standard della fisica delle particelle, protoni e neutroni costituiscono il nucleo dell’atomo, mentre gli elettroni lo orbitano in una “nuvola”.

Modello di Neils Bohr un atomo di azoto. Credito: britannica.com

Gli elettroni in un atomo sono attratti dai protoni nel nucleo dalla forza elettromagnetica. Gli elettroni possono sfuggire dalla loro orbita, ma solo in risposta a una fonte esterna di energia applicata., L’orbita più vicina dell’elettrone al nucleo, maggiore è la forza attraente; quindi, più forte è la forza esterna necessaria per causare la fuga di un elettrone.

Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in orbite multiple, ognuna delle quali corrisponde a un particolare livello di energia dell’elettrone. L’elettrone può cambiare il suo stato a un livello di energia più elevato assorbendo un fotone con energia sufficiente per aumentarlo nel nuovo stato quantico. Allo stesso modo, un elettrone in uno stato di energia superiore può scendere a uno stato di energia inferiore mentre irradia l’energia in eccesso come fotone.,

Gli atomi sono elettricamente neutri se hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Gli atomi che hanno un deficit o un surplus di elettroni sono chiamati ioni. Gli elettroni che sono più lontani dal nucleo possono essere trasferiti ad altri atomi vicini o condivisi tra atomi. Con questo meccanismo, gli atomi sono in grado di legarsi in molecole e altri tipi di composti chimici.

Tutte e tre queste particelle subatomiche sono Fermioni, una classe di particelle associate alla materia che è elementare (elettroni) o composita (protoni e neutroni) in natura., Ciò significa che gli elettroni non hanno una struttura interna nota, mentre protoni e neutroni sono costituiti da altre particelle subatomiche. chiamato quark. Esistono due tipi di quark negli atomi, che hanno una carica elettrica frazionata.

Il modello Standard particelle elementari. Credit: PBS NOVA / Fermilab / Particle Data Group

I protoni sono composti da due quark ” up “(ciascuno con una carica di +2/3) e un quark” down ” (-1/3), mentre i neutroni sono costituiti da un quark up e due quark down., Questa distinzione rappresenta la differenza di carica tra le due particelle, che funziona con una carica di +1 e 0 rispettivamente, mentre gli elettroni hanno una carica di -1.

Altre particelle subatomiche includono i Leptoni, che si combinano con i Fermioni per formare gli elementi costitutivi della materia. Ci sono sei leptoni nel presente modello atomico: le particelle di elettroni, muoni e tau e i loro neutrini associati., Le diverse varietà delle particelle di leptoni, comunemente chiamate “sapori”, sono differenziate dalle loro dimensioni e cariche, che influenzano il livello delle loro interazioni elettromagnetiche.

Quindi, ci sono Bosoni di Gauge, che sono noti come “portatori di forza” poiché mediano le forze fisiche. Ad esempio, i gluoni sono responsabili della forza nucleare forte che tiene insieme i quark mentre i bosoni W e Z (ancora ipotetici) sono ritenuti responsabili della forza nucleare debole dietro l’elettromagnetismo., I fotoni sono la particella elementare che costituisce la luce, mentre il bosone di Higgs è responsabile di dare ai bosoni W e Z la loro massa.

Massa atomica:

La maggior parte della massa di un atomo proviene dai protoni e dai neutroni che compongono il suo nucleo. Gli elettroni sono la meno massiccia delle particelle costituenti di un atomo, con una massa di 9,11 x 10-31 kg e una dimensione troppo piccola per essere misurata con le tecniche attuali. I protoni hanno una massa che è 1.836 volte quella dell’elettrone, a 1,6726×10-27 kg, mentre i neutroni sono il più massiccio dei tre, a 1.,6929×10-27 kg (1.839 volte la massa dell’elettrone).

Le masse di tutti i 6 sapori di quark, con un protone ed elettrone (punto rosso) mostrato in basso a sinistra per la scala. Credit: Wikipedia/Incnis Mrsi

Il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo (chiamato “nucleoni”) è chiamato il numero di massa. Ad esempio, l’elemento Carbonio-12 è così chiamato perché ha un numero di massa di 12-derivato dai suoi 12 nucleoni (sei protoni e sei neutroni)., Tuttavia, gli elementi sono anche disposti in base al loro numero atomico, che è lo stesso del numero di protoni trovati nel nucleo. In questo caso, il carbonio ha un numero atomico di 6.

La massa effettiva di un atomo a riposo è molto difficile da misurare, poiché anche il più massiccio degli atomi è troppo leggero per essere espresso in unità convenzionali. Come tale, gli scienziati usano spesso l’unità di massa atomica unificata (u) – chiamata anche dalton (Da)-che è definita come un dodicesimo della massa di un atomo neutro libero di carbonio-12, che è circa 1,66×10-27 kg.,

I chimici usano anche le talpe, un’unità definita come una mole di qualsiasi elemento che abbia sempre lo stesso numero di atomi (circa 6,022×1023). Questo numero è stato scelto in modo che se un elemento ha una massa atomica di 1 u, una mole di atomi di quell’elemento ha una massa vicina a un grammo. A causa della definizione dell’unità di massa atomica unificata, ogni atomo di carbonio-12 ha una massa atomica di esattamente 12 u, e quindi una mole di atomi di carbonio-12 pesa esattamente 0,012 kg.

Decadimento radioattivo:

Due atomi che hanno lo stesso numero di protoni appartengono allo stesso elemento chimico., Ma gli atomi con un numero uguale di protoni possono avere un numero diverso di neutroni, che sono definiti come diversi isotopi dello stesso elemento. Questi isotopi sono spesso instabili, e tutti quelli con un numero atomico maggiore di 82 sono noti per essere radioattivi.

Diagramma del decadimento alfa e beta in due isotopi di uranio. Credito: energia-senza-carbonio.,org

Quando un elemento subisce il decadimento, il suo nucleo perde energia emettendo radiazioni – che possono consistere in particelle alfa (atomi di elio), particelle beta (positroni), raggi gamma (energia elettromagnetica ad alta frequenza) ed elettroni di conversione. La velocità con cui un elemento instabile decade è nota come “emivita”, che è la quantità di tempo necessaria affinché l’elemento cada a metà del suo valore iniziale.

La stabilità di un isotopo è influenzata dal rapporto tra protoni e neutroni., Dei 339 diversi tipi di elementi che si trovano naturalmente sulla Terra, 254 (circa il 75%) sono stati etichettati come “isotopi stabili”, cioè non soggetti a decadimento. Altri 34 elementi radioattivi hanno emivita più lunga di 80 milioni di anni e sono esistiti anche dal primo Sistema solare (da qui il motivo per cui sono chiamati “elementi primordiali”).

Infine, altri 51 elementi di breve durata sono noti per verificarsi naturalmente, come “elementi figlia” (cioè sottoprodotti nucleari) del decadimento di altri elementi (come il radio dall’uranio)., Inoltre, elementi radioattivi di breve durata possono essere il risultato di processi energetici naturali sulla Terra, come il bombardamento di raggi cosmici (ad esempio, il carbonio-14, che si verifica nella nostra atmosfera).

Storia dello studio:

I primi esempi noti di teoria atomica provengono dall’antica Grecia e dall’India, dove filosofi come Democrito postularono che tutta la materia era composta da unità minuscole, indivisibili e indistruttibili. Il termine “atomo “fu coniato nell’antica Grecia e diede origine alla scuola di pensiero conosciuta come”atomismo”., Tuttavia, questa teoria era più un concetto filosofico che scientifico.

Vari atomi e molecole come descritto in A New System of Chemical Philosophy di John Dalton (1808). Credit: Public Domain

Non fu fino al 19 ° secolo che la teoria degli atomi divenne articolata come una questione scientifica, con i primi esperimenti basati sull’evidenza condotti., Ad esempio, nei primi anni del 1800, lo scienziato inglese John Dalton usò il concetto di atomo per spiegare perché gli elementi chimici reagivano in certi modi osservabili e prevedibili.

Dalton ha iniziato con la domanda sul perché gli elementi hanno reagito in rapporti di piccoli numeri interi e ha concluso che queste reazioni si sono verificate in multipli di numeri interi di unità discrete—in altre parole, atomi. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono i gas, Dalton ha continuato a sviluppare ciò che è noto come la Teoria atomica di Dalton, che rimane uno dei capisaldi della fisica e della chimica moderna.,

La teoria tratta di cinque locali: elementi, nel loro stato più puro, sono costituiti di particelle chiamate atomi; gli atomi di un determinato elemento sono tutti uguali, fino all’ultimo atomo; gli atomi di elementi diversi, può essere raccontata a parte dal loro pesi atomici; gli atomi di elementi si uniscono per formare composti chimici; gli atomi non possono essere né creata o distrutta in una reazione chimica, solo il raggruppamento cambiano mai.

Alla fine del 19 ° secolo, gli scienziati iniziarono a teorizzare che l’atomo fosse costituito da più di un’unità fondamentale., Tuttavia, la maggior parte degli scienziati ha azzardato che questa unità sarebbe la dimensione del più piccolo atomo conosciuto: l’idrogeno. E poi nel 1897, attraverso una serie di esperimenti usando raggi catodici, il fisico J. J. Thompson annunciò di aver scoperto un’unità che era 1000 volte più piccola e 1800 volte più leggera di un atomo di idrogeno.

Il modello Plum Pudding dell’atomo proposto da John Dalton. Credito: britannica.,com

I suoi esperimenti hanno anche dimostrato che erano identici alle particelle emesse dall’effetto fotoelettrico e dai materiali radioattivi. Esperimenti successivi rivelarono che questa particella trasportava corrente elettrica attraverso fili metallici e cariche elettriche negative all’interno degli atomi. Da qui il motivo per cui la particella – che è stato originariamente chiamato un “corpuscolo” – è stato poi cambiato in” electron”, dopo la particella di George Johnstone Stoney previsto nel 1874.,

Tuttavia, Thomson postulò anche che gli elettroni erano distribuiti in tutto l’atomo, che era un mare uniforme di carica positiva. Questo divenne noto come il” plum pudding model”, che in seguito sarebbe stato dimostrato sbagliato. Ciò avvenne nel 1909, quando i fisici Hans Gieger e Ernest Marsden (sotto la direzione di Ernest Rutherfod) condussero il loro esperimento usando lamina metallica e particelle alfa.

Coerentemente con il modello atomico di Dalton, credevano che le particelle alfa passassero direttamente attraverso la lamina con poca deflessione., Tuttavia, molte delle particelle sono state deviate ad angoli superiori a 90°. Per spiegare questo, Rutherford propose che la carica positiva dell’atomo fosse concentrata in un piccolo nucleo al centro.

Nel 1913, il fisico Niels Bohr propose un modello in cui gli elettroni orbitavano attorno al nucleo, ma poteva farlo solo in un insieme finito di orbite. Ha anche proposto che gli elettroni potrebbero saltare tra le orbite, ma solo in discreti cambiamenti di energia corrispondenti all’assorbimento o alla radiazione di un fotone., Questo non solo raffinò il modello proposto da Rutherford, ma diede anche origine al concetto di un atomo quantizzato, in cui la materia si comportava in pacchetti discreti.

L’esperimento della lamina d’oro condotto da Geiger, Marsden e Rutherford. Credito: glogster.com

Lo sviluppo dello spettrometro di massa – che utilizza un magnete per piegare la traiettoria di un fascio di ioni – ha permesso di misurare la massa degli atomi con maggiore precisione. Il chimico Francis William Aston ha usato questo strumento per dimostrare che gli isotopi avevano masse diverse., Questo a sua volta è stato seguito dal fisico James Chadwick, che nel 1932 ha proposto il neutrone come un modo per spiegare l’esistenza di isotopi.

Durante l’inizio del 20 ° secolo, la natura quantistica degli atomi è stata ulteriormente sviluppata. Nel 1922, i fisici tedeschi Otto Stern e Walther Gerlach condussero un esperimento in cui un fascio di atomi d’argento era diretto attraverso un campo magnetico, che aveva lo scopo di dividere il fascio tra la direzione del momento angolare degli atomi (o spin).,

Conosciuto come Esperimento di Stern–Gerlach, i risultati furono che il fascio si divise in due parti, a seconda che lo spin degli atomi fosse orientato verso l’alto o verso il basso. Nel 1926, il fisico Erwin Schrodinger usò l’idea che le particelle si comportassero come onde per sviluppare un modello matematico che descrivesse gli elettroni come forme d’onda tridimensionali piuttosto che semplici particelle.

Una conseguenza dell’uso di forme d’onda per descrivere le particelle è che è matematicamente impossibile ottenere valori precisi sia per la posizione che per la quantità di moto di una particella in un dato momento., Nello stesso anno, Werner Heisenberg formulò questo problema e lo chiamò “principio di indeterminazione”. Secondo Heisenberg, per una determinata misurazione accurata della posizione, si può ottenere solo un intervallo di valori probabili per la quantità di moto e viceversa.

Fissione nucleare, dove un atomo di uranio 92 è diviso da un neutrone libero per produrre bario e krypton. Credito: physics.stackexchange.com

Nel 1930, i fisici scoprirono la fissione nucleare, grazie agli esperimenti di Otto Hahn, Lise Meitner e Otto Frisch., Gli esperimenti di Hahn riguardavano la direzione dei neutroni sugli atomi di uranio nella speranza di creare un elemento transuranico. Invece, il processo ha trasformato il suo campione di uranio-92 (Ur92) in due nuovi elementi – bario (B56) e krypton (Kr27).

Meitner e Frisch hanno verificato l’esperimento e lo hanno attribuito agli atomi di uranio che si dividono per formare due elementi con lo stesso peso atomico totale, un processo che ha anche rilasciato una notevole quantità di energia rompendo i legami atomici. Negli anni che seguirono, iniziò la ricerca sulla possibile armamento di questo processo (es., armi nucleari) e ha portato alla costruzione delle prime bombe atomiche negli Stati Uniti entro il 1945.

Nel 1950, lo sviluppo di acceleratori di particelle e rivelatori di particelle migliorati ha permesso agli scienziati di studiare gli impatti degli atomi che si muovono ad alte energie. Da questo, è stato sviluppato il Modello standard della fisica delle particelle, che ha finora spiegato con successo le proprietà del nucleo, l’esistenza di particelle subatomiche teorizzate e le forze che governano le loro interazioni.,

Esperimenti moderni:

Dalla seconda metà del 20 ° secolo, molte nuove ed eccitanti scoperte sono state per quanto riguarda la teoria atomica e la meccanica quantistica. Ad esempio, nel 2012, la lunga ricerca del bosone di Higgs ha portato a una svolta in cui i ricercatori che lavorano presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera hanno annunciato la sua scoperta.

Il Large Hadron Collider (LHC) presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN). Credito: casa.,cern

Negli ultimi decenni, una grande quantità di tempo ed energia è stata dedicata dai fisici allo sviluppo di una teoria di campo unificata (aka. Grande Teoria unificante o Teoria del tutto). In sostanza, dal momento che il modello Standard è stato proposto per la prima volta, gli scienziati hanno cercato di capire come le quattro forze fondamentali dell’universo (gravità, forze nucleari forti e deboli ed elettromagnetismo) lavorano insieme.,

Mentre la gravità può essere compresa usando le teorie della relatività di Einstein, e le forze nucleari e l’elettromagnetismo possono essere comprese usando la teoria quantistica, nessuna delle due teorie può spiegare tutte e quattro le forze che lavorano insieme. I tentativi di risolvere questo problema hanno portato a una serie di teorie proposte nel corso degli anni, che vanno dalla teoria delle stringhe alla gravità quantistica ad anello. Ad oggi, nessuna di queste teorie ha portato a una svolta.,

La nostra comprensione dell’atomo ha fatto molta strada, dai modelli classici che lo vedevano come un solido inerte che interagiva meccanicamente con altri atomi, alle teorie moderne in cui gli atomi sono composti da particelle energetiche che si comportano in modo imprevedibile. Mentre ci sono voluti diverse migliaia di anni, la nostra conoscenza della struttura fondamentale di tutta la materia è avanzata considerevolmente.

Eppure, rimangono molti misteri che devono ancora essere risolti. Con il tempo e gli sforzi continui, possiamo finalmente sbloccare gli ultimi segreti rimasti dell’atomo., Poi di nuovo, potrebbe benissimo essere che tutte le nuove scoperte che facciamo daranno solo luogo a più domande-e potrebbero essere ancora più confuse di quelle che sono venute prima!

Oggi abbiamo scritto molti articoli sull’atomo per l’Universo. Ecco un articolo sul modello atomico di John Dalton, il modello atomico di Neils Bohr, Chi era Democrito?, e Quanti Atomi ci sono Nell’universo?

Se desideri maggiori informazioni sull’atomo, consulta l’articolo della NASA sull’analisi di piccoli campioni, ed ecco un link all’articolo della NASA su atomi, elementi e isotopi.,

Abbiamo anche registrato un intero episodio di Astronomy Cast all about the Atom. Ascolta qui, Episodio 164: Dentro l’atomo, Episodio 263: Decadimento radioattivo, e Episodio 394: Il modello standard, Bosoni.

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