Struttura dell’atomo
La struttura atomica non è un sistema solare in miniatura. Un atomo contiene un nucleo minuscolo formato da protoni e neutroni, circondato da elettroni descritti mediante stati quantistici. Il nucleo determina l’identità e quasi tutta la massa; la disposizione degli elettroni governa gran parte della chimica.
Tre particelle, tre ruoli diversi
Protone
Carica +e. Si trova nel nucleo. Il numero di protoni Z definisce l’elemento.
Neutrone
Nessuna carica netta. Si trova nel nucleo. Un diverso numero di neutroni dà origine a isotopi.
Elettrone
Carica −e. Ha una massa pari a circa 1/1836 di quella del protone. Occupa stati quantistici attorno al nucleo e domina il comportamento chimico.
Un atomo neutro possiede lo stesso numero di elettroni e protoni. Cambiare il numero di elettroni produce uno ione; cambiare quello dei neutroni produce un isotopo; cambiare quello dei protoni significa ottenere un elemento diverso.
Numero atomico, numero di massa e notazione isotopica
Il numero atomico Z è il numero di protoni. Il numero di massa A conta protoni e neutroni; quindi il numero di neutroni è N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: contiene ancora 11 protoni e 12 neutroni, ma ora ha 10 elettroni.
La massa atomica riportata nella tavola periodica in genere non è un numero intero, perché è una media ponderata degli isotopi presenti in natura e non il numero di massa di un singolo atomo.
Da Rutherford all’atomo quantistico
Gli esperimenti di diffusione di Rutherford dimostrarono l’esistenza del nucleo, ma un elettrone classico in orbita attorno a un nucleo positivo dovrebbe irradiare energia e precipitare su di esso. Bohr introdusse livelli energetici discreti per l’idrogeno; la meccanica quantistica sostituì le orbite fisse con funzioni d’onda e orbitali.
Un orbitale non è una traiettoria. È uno stato quantistico la cui funzione d’onda determina una distribuzione di probabilità per trovare un elettrone. Gusci e sottogusci organizzano questi stati in base ai numeri quantici e all’energia.
La distinzione è importante: le tendenze chimiche — legame, ionizzazione, dimensioni, spettri — dipendono dalle energie e dalle distribuzioni spaziali degli elettroni, non da particelle che orbitano attorno al nucleo come pianeti.
Costruisci un atomo: bilancio di carica e massa
Lo strumento separa volutamente i tre conteggi. L’identità nucleare dipende dal numero di protoni; la carica dipende dallo squilibrio tra protoni ed elettroni.
Scale, forze e coesione dell’atomo
Gli elettroni sono legati al nucleo dall’attrazione elettromagnetica. Nel nucleo i protoni si respingono elettricamente, ma alle distanze nucleari l’interazione forte può legare insieme protoni e neutroni.
Le due scale non vanno confuse: la chimica riorganizza soprattutto gli elettroni e coinvolge tipicamente energie dell’ordine degli elettronvolt per particella; le reazioni nucleari modificano il nucleo e possono liberare, per singolo evento, energie milioni di volte maggiori.
Anche l’espressione «dimensione di un atomo» richiede cautela. La densità elettronica non ha un confine netto, quindi i raggi atomici si ricavano dalle distanze tra atomi in molecole o solidi.
Le prove che hanno costruito il modello atomico moderno
| Evidenza sperimentale | Che cosa ha dimostrato | Che cosa non spiegava ancora |
|---|---|---|
| Raggi catodici | Gli atomi contengono elettroni negativi; si può misurare il rapporto carica/massa dell’elettrone. | La posizione della carica positiva. |
| Gocce d’olio di Millikan | La carica dell’elettrone è quantizzata; combinandola con e/m si ricava la massa dell’elettrone. | La struttura nucleare. |
| Diffusione di Rutherford | La carica positiva e quasi tutta la massa sono concentrate in un nucleo minuscolo. | La struttura elettronica stabile e gli spettri. |
| Spettri atomici | Gli atomi possiedono energie elettroniche discrete. | Una teoria completa degli atomi a molti elettroni. |
| Esperimenti di Chadwick sul neutrone | Il nucleo contiene anche particelle neutre con massa simile a quella del protone. | Le forze nucleari in dettaglio e la struttura a gusci. |
Il modello è cambiato perché gli esperimenti hanno escluso le rappresentazioni precedenti. Un diagramma atomico scientificamente utile va quindi letto come un modello legato a evidenze precise, non come una fotografia letterale.
Massa, isotopi e scala delle masse atomiche
Le masse del protone e del neutrone sono vicine a 1 unità di massa atomica unificata, mentre un elettrone contribuisce solo per circa 0,00055 u. Per questo il numero di massa A è un buon conteggio intero dei nucleoni, ma non rappresenta una massa atomica esatta.
Anche il legame nucleare modifica la massa. Un nucleo legato ha una massa leggermente inferiore alla somma dei protoni e neutroni separati; la massa mancante corrisponde all’energia di legame tramite E = mc². Le masse atomiche usate in chimica si riferiscono inoltre ad atomi neutri e includono quindi la massa degli elettroni.
Il valore riportato nella tavola periodica è in genere una media ponderata in base alle abbondanze isotopiche. Nel cloro, gli isotopi naturali ³⁵Cl e ³⁷Cl producono una media vicina a 35,45 u. Nessun normale atomo di cloro possiede «35,45 nucleoni».
Posizione, probabilità e nube elettronica
La meccanica quantistica non assegna all’elettrone un’orbita classica con posizione e velocità note in ogni istante. Una funzione d’onda descrive lo stato e |ψ|² fornisce una densità di probabilità per le misure di posizione.
I disegni degli orbitali racchiudono di solito una frazione scelta — spesso circa il 90% — della probabilità. Il confine è quindi una convenzione grafica: la densità elettronica si estende oltre la superficie rappresentata.
Il principio di indeterminazione va oltre i limiti di una tecnica di misura: uno stato quantistico non può possedere simultaneamente posizione e quantità di moto arbitrariamente precise. Anche per questo il modello delle orbite planetarie finisce per fallire.
Esercizi
Ione magnesio
²⁴Mg²⁺ ha Z = 12. Conta protoni, neutroni ed elettroni.
Soluzione
12 protoni, 24 − 12 = 12 neutroni, e 12 − 2 = 10 elettroni.
Isotopo o ione?
Due atomi hanno 17 protoni; uno possiede 18 neutroni e l’altro 20. Qual è la relazione tra i due?
Soluzione
Sono isotopi del cloro. Il numero di protoni — e quindi l’identità dell’elemento — è lo stesso.
Evidenza di Rutherford
Quale osservazione esclude una carica positiva distribuita uniformemente?
Soluzione
Le rare deviazioni a grande angolo richiedono che la carica positiva e quasi tutta la massa siano concentrate in una regione piccolissima: il nucleo.