L’atomo.

Nel seguente articolo si cercherà di spiegare in maniera semplificata l’idea di atomo.

Immagine di un Atomo

Dalla nostra nascita fino alla nostra morte, ci troviamo immersi in un mondo costituito principalmente da spazio, energia e materia. Con materia si intende tutto ciò che ha una massa, un volume e, di conseguenza, occupa dello spazio. Un semplice pezzo di carta, i tasti del computer, le stesse dita della mano con cui sto battendo i tasti del computer, rispecchiano la descrizione di materia e quindi sono materia. A prima vista, un pezzetto di carta o il tasto di un computer può sembrare un qualcosa di stazionario e immobile, ma in realtà, se si potesse guardare abbastanza a fondo, si noterebbe che dietro ciò che noi possiamo vedere si cela un intrigante e complicato mondo, il mondo atomico e subatomico.

Circa 500 anni prima dell’anno zero, due filosofi, Leucippo e Democrito, fondarono una dottrina filosofica chiamata atomismo. Questi liberi pensatori pensarono che dividendo la materia in pezzetti sempre più piccoli, si potesse arrivare a una parte indivisibile della materia che chiamarono atomo, appunto dal greco “indivisibile”.
Per via dell’influenza delle dottrine Aristoteliche, le fondamenta ultime della materia non vennero più indagate per diverso tempo, fino al 1800-1900, anni in cui, grazie a diversi esperimenti effettuati da scienziati come J.J. Thomson e Ernest Rutherfod si arrivò al modello atomico più o meno uguale a quello accettato tutt’ora. L’intenzione di questo articolo non è di illustrare la storia dell’atomo, ma di illustrare l’atomo stesso; tuttavia, a chi volesse approfondire la storia dell’atomo, si consiglia la lettura del libro di Manjit Kumar “Quantum”, edito dalla Mondadori.

L’atomo non è più considerato la parte ultima della materia, ma l’ultimo pezzetto fino al quale la materia mantiene le sue caratteristiche chimiche, difatti si è scoperto che in realtà l’atomo è formato da altre particelle più piccole, dette particelle subatomiche.

Il modello prevede che la massa dell’atomo sia concentrata principalmente al centro, in una zona detta nucleo, con degli elettroni, particelle molto più leggere di quelle costituenti il nucleo, che ruotano intorno.

Principali costituenti dell’Atomo

Principalmente il nucleo è costituito da due tipi di particelle subatomiche, i protoni, aventi carica positiva e i neutroni, con carica neutra. Ogni atomo rappresenta un elemento e, ogni elemento, differisce da un altro per il numero di protoni e neutroni contenuti nel nucleo e per gli elettroni che vi orbitano intorno.
Se ci si sofferma a riflettere un attimo, una domanda sorge spontanea: come fanno delle cariche uguali a stare vicine?
Tutti noi abbiamo avuto a che fare con i magneti e sappiamo che due cariche uguali si respingono, mentre due cariche diverse si attraggono. All’interno del nucleo si trovano cariche uguali che non si respingono. Come è possibile?
La famosa formula di Albert Einstein E=Mc^2 dice, in poche parole, che la massa e l’energia sono due facce della stessa medaglia. La massa può essere convertita in energia, l’energia può essere convertita in massa. Partendo da questo presupposto, vi guiderò in un piccolo ragionamento che permette di intuire il perchè i nuclei atomici esistono e non si distruggono in preda alle forze di repulsione Coulombiane tra cariche uguali.

Prendiamo come campione del nostro ragionamento l’atomo di Ossigeno 16, formato da 8 protoni, 8 neutroni ed 8 elettroni. Ognuna di queste particelle ha la propria massa e sarebbe ragionevole pensare che se facessimo la somma dei prodotti tra la massa di ogni particella e rispettivo numero di particelle, otterremo la massa dell’atomo di Ossigeno. Proviamo e vediamo che vien fuori.
Massa elettrone: 5,486 * 10^-4 u.m.a.
Massa protone: 1,007 u.m.a.
Massa neutrone: 1,009 u.m.a.
(u.m.a. = 1/12 della massa del Carbonio 12)
Moltiplichiamo le masse per il numero di particelle e otteniamo:
Massa elettroni : (5,486 * 10^-4) * 8 = 0,0043888 u
Massa protoni : 1,007 * 8 = 8,056 u
Massa neutroni : 1,009 * 8 = 8,072 u
Sommando i risultati si ottiene 16,13 u. Teoricamente questa dovrebbe essere la massa dell’Ossigeno, ma nella tavola periodica la massa dell’Ossigeno misurata sperimentalmente è di circa 15,9994 u. Questa differenza è chiamata difetto di massa, e deriva dal fatto che una parte della massa delle particelle del nucleo si trasforma in energia per vincere le forze di repulsione tra cariche uguali. Quest’energia si esercita attraverso una forza chiamata forza nucleare forte, forza intermediata da particelle chiamate gluoni.

Ora che ci siamo fatti un idea sul nucleo atomico, si può passare alla parte più esterna, la nube elettronica.
Gli elettroni sono delle particelle molto leggere aventi carica negativa. Essi ruotano intorno al nucleo a velocità prossime a quelle della luce e si trovano solamente in delle precise orbite quantizzate, chiamate anche livelli energetici. Gli elettroni possono stare in una o in un altra orbita, ma non si possono trovare in orbite intermedie. Ogni orbita è per definizione la regione di spazio in cui è più probabile trovare l’elettrone. Il concetto di probabilità è stato introdotto da Werner Heisenberg con il suo principio di indeterminazione, una legge che sta alla base della meccanica quantistica e di cui parleremo nei prossimi articoli.
Gli elettroni sono i responsabili delle proprietà chimiche degli elementi e delle molecole, che non sono altro che aggregazioni di atomi legati tra loro grazie al fatto che gli elettroni più esterni dell’atomo formano dei legami chimici.
La carica complessiva di un atomo allo stato naturale è neutra, in quanto il numero di protoni ed elettroni è uguale e, di conseguenza, le cariche positive vengono annullate da quelle negative. Tuttavia, a causa di particolari processi chimici o fisici, gli atomi possono essere ionizzati, ovvero possono o cedere elettroni e diventare dei cationi, ovvero ioni aventi carica positiva, oppure acquistare elettroni e diventare anioni, ioni con carica negativa.

La teoria atomica in questo articolo è descritta in maniera molto semplificata per rendere l’articolo leggibile anche ai “non addetti ai lavori”. In realtà la teoria atomica è molto più complessa e affascinante.
Grazie per la lettura.

Robert Panai per Astrofili Sassari

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Robert Panai

Studente al quinto anno di chimica e biotecnologia ambientale. Ha una forte passione per le scienze matematiche e per ciò che è infinitamente piccolo e infinitamente grande. Appassionato di Astrofotografia da due anni, microfotografia a microorganismi e cristalli.