Tutta la materia è fatta di atomi. Questo è qualcosa che ora prendiamo come un dato, e una delle cose che si impara a destra di nuovo all’inizio della scuola superiore o classi di chimica della scuola secondaria. Nonostante questo, le nostre idee su cosa sia un atomo sono sorprendentemente recenti: non più di cento anni fa, gli scienziati stavano ancora discutendo che cosa esattamente un atomo sembrava. Questo grafico prende uno sguardo ai modelli chiave proposti per l’atom, e come sono cambiati nel tempo.

Sebbene la nostra grafica inizi nel 1800, l’idea degli atomi era molto prima. In realtà, dobbiamo andare tutta la strada fino all’antica Grecia per trovare la sua genesi. La parola ‘atomo ‘in realtà deriva dal greco antico e si traduce approssimativamente come ‘indivisibile’. L’antica teoria greca è stata accreditata a diversi studiosi, ma è più spesso attribuita a Democrito (460-370 AC) e al suo mentore Leucippo . Sebbene le loro idee sugli atomi fossero rudimentali rispetto ai nostri concetti di oggi, hanno delineato l’idea che tutto è fatto di atomi, sfere invisibili e indivisibili di materia di tipo e numero infinito.

Questi studiosi immaginavano gli atomi come di forma variabile a seconda del tipo di atomo. Prevedevano che gli atomi di ferro avessero ganci che li bloccavano insieme, spiegando perché il ferro era un solido a temperatura ambiente. Gli atomi d’acqua erano lisci e scivolosi, spiegando perché l’acqua era un liquido a temperatura ambiente e poteva essere versata. Anche se ora sappiamo che questo non è il caso, le loro idee gettarono le basi per i futuri modelli atomici.

E ‘ stata una lunga attesa, tuttavia, prima di queste fondamenta sono state costruite su. Fu solo nel 1803 che il chimico inglese John Dalton iniziò a sviluppare una definizione più scientifica dell’atomo. Ha attinto alle idee degli antichi greci nel descrivere gli atomi come piccole sfere dure che sono indivisibili e che gli atomi di un dato elemento sono identici tra loro. Quest’ultimo punto è uno che praticamente ancora vale, con la notevole eccezione di isotopi di diversi elementi, che differiscono nel loro numero di neutroni. Tuttavia, dal momento che il neutrone non sarebbe stato scoperto fino al 1932, probabilmente possiamo perdonare Dalton questa svista. Ha anche inventato teorie su come gli atomi si combinano per creare composti, e ha anche inventato la prima serie di simboli chimici per gli elementi noti.

La delineazione della teoria atomica di Dalton è stata un inizio, ma non ci ha ancora detto molto sulla natura degli atomi stessi. Quello che seguì fu un’altra pausa più breve in cui la nostra conoscenza degli atomi non progredì più di tanto. Ci sono stati alcuni tentativi di definire come potrebbero apparire gli atomi, come il suggerimento di Lord Kelvin che potrebbero avere una struttura simile a un vortice, ma non è stato fino a poco dopo la fine del 20 ° secolo che i progressi nel chiarire la struttura atomica hanno davvero iniziato a salire.

La prima svolta arrivò alla fine del 1800 quando il fisico inglese Joseph John (JJ) Thomson scoprì che l’atomo non era così indivisibile come affermato in precedenza. Ha effettuato esperimenti utilizzando raggi catodici prodotti in un tubo di scarico, e ha scoperto che i raggi sono stati attratti da piastre metalliche caricate positivamente, ma respinti da quelli caricati negativamente. Da ciò ha dedotto che i raggi devono essere caricati negativamente.

Misurando la carica sulle particelle nei raggi, fu in grado di dedurre che erano duemila volte più leggeri dell’idrogeno, e cambiando il metallo di cui era fatto il catodo poté dire che queste particelle erano presenti in molti tipi di atomi. Aveva scoperto l’elettrone (anche se si riferiva ad esso come un ‘corpuscolo’), e dimostrato che gli atomi non erano indivisibili, ma avevano parti costituenti più piccole. Questa scoperta gli avrebbe vinto un premio Nobel nel 1906.

Nel 1904, propose il suo modello dell’atomo basato sulle sue scoperte. Soprannominato ‘The Plum Pudding Model’ (anche se non da Thomson stesso), prevedeva l’atomo come una sfera di carica positiva, con elettroni punteggiati come prugne in un budino. Gli scienziati avevano iniziato a scrutare nelle viscere dell’atomo, ma il modello di Thomson non sarebbe rimasto a lungo – e fu uno dei suoi studenti a fornire le prove per consegnarlo alla storia.

Ernest Rutherford è stato un fisico neozelandese che ha studiato all’Università di Cambridge sotto Thomson. E ‘ stato il suo lavoro successivo presso l’Università di Manchester, che avrebbe fornito ulteriori approfondimenti nelle parti interne di un atomo. Questo lavoro è venuto dopo che aveva già ricevuto un premio Nobel nel 1908 per le sue indagini sulla chimica delle sostanze radioattive.

Rutherford ideò un esperimento per sondare la struttura atomica che prevedeva la cottura di particelle alfa cariche positivamente su un sottile foglio di lamina d’oro. Le particelle alfa erano così piccole che potevano passare attraverso la lamina d’oro, e secondo il modello di Thomson che mostrava la carica positiva diffusa su tutto l’atomo, il dovrebbe farlo con poca o nessuna deflessione. Effettuando questo esperimento, sperava di essere in grado di confermare il modello di Thomson, ma ha finito per fare esattamente il contrario.

Durante l’esperimento, la maggior parte delle particelle alfa ha fatto passare attraverso il foglio con poca o nessuna deflessione. Tuttavia, un numero molto piccolo di particelle è stato deviato dai loro percorsi originali ad angoli molto grandi. Ciò fu completamente inaspettato; come osservò lo stesso Rutherford, “Era quasi incredibile come se sparassi un guscio da 15 pollici contro un pezzo di carta velina e tornasse indietro e ti colpisse”. L’unica spiegazione possibile era che la carica positiva non era diffusa in tutto l’atomo, ma concentrata in un piccolo centro denso: il nucleo. La maggior parte del resto dell’atomo era semplicemente spazio vuoto.

La scoperta del nucleo da parte di Rutherford significava che il modello atomico necessitava di un ripensamento. Ha proposto un modello in cui gli elettroni orbitano attorno al nucleo caricato positivamente. Mentre questo era un miglioramento sul modello di Thomson, non spiegava cosa mantenesse gli elettroni in orbita invece di semplicemente spiralare nel nucleo.

Inserisci Niels Bohr. Bohr era un fisico danese che si mise a cercare di risolvere i problemi con il modello di Rutherford. Si rese conto che la fisica classica non poteva spiegare correttamente cosa stava succedendo a livello atomico; invece, ha invocato la teoria quantistica per cercare di spiegare la disposizione degli elettroni. Il suo modello postulava l’esistenza di livelli di energia o gusci di elettroni. Gli elettroni potevano essere trovati solo in questi specifici livelli di energia; in altre parole, la loro energia era quantizzata e non poteva assumere un valore qualsiasi. Gli elettroni potevano muoversi tra questi livelli di energia (indicati da Bohr come “stati stazionari”), ma dovevano farlo assorbendo o emettendo energia.

Il suggerimento di Bohr di livelli di energia stabili affrontava il problema degli elettroni che spiralavano nel nucleo in una certa misura, ma non del tutto. Le ragioni esatte sono un po ‘ più complesse di quanto discuteremo qui, perché stiamo entrando nel complesso mondo della meccanica quantistica; e come ha detto lo stesso Bohr, “Se la meccanica quantistica non ti ha profondamente scioccato, non l’hai ancora capito”. In altre parole, diventa un po ‘ strano.

Il modello di Bohr non ha risolto tutti i problemi del modello atomico. Ha funzionato bene per gli atomi di idrogeno, ma non ha potuto spiegare le osservazioni di elementi più pesanti. Viola anche il principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei capisaldi della meccanica quantistica, che afferma che non possiamo conoscere sia la posizione esatta che la quantità di moto di un elettrone. Tuttavia, questo principio non è stato postulato fino a diversi anni dopo che Bohr ha proposto il suo modello. Nonostante tutto questo, Bohr è probabilmente ancora il modello dell’atomo che hai più familiarità con, dal momento che è spesso quello introdotto per la prima volta durante i corsi di chimica della scuola superiore o della scuola secondaria. Ha ancora i suoi usi troppo; è abbastanza utile per spiegare il legame chimico e la reattività di alcuni gruppi di elementi a un livello semplice.

In ogni caso, il modello richiedeva ancora la raffinazione. A questo punto, molti scienziati stavano indagando e cercando di sviluppare il modello quantistico dell’atomo. Il capo tra questi era il fisico austriaco Erwin Schrödinger, che probabilmente avete sentito parlare prima (lui è il ragazzo con il gatto e la scatola). Nel 1926 Schrödinger propose che, piuttosto che gli elettroni muoversi in orbite fisse o conchiglie, gli elettroni si comportano come onde. Questo sembra un po ‘ strano, ma probabilmente già ricordi che la luce può comportarsi sia come un’onda che come una particella (ciò che è noto come dualità onda-particella), e si scopre che anche gli elettroni possono farlo.

Schrödinger risolse una serie di equazioni matematiche per elaborare un modello per le distribuzioni di elettroni in un atomo. Il suo modello mostra il nucleo circostante da nuvole di densità elettronica. Queste nuvole sono nuvole di probabilità; anche se non sappiamo esattamente dove sono gli elettroni, sappiamo che è probabile che si trovino in determinate regioni dello spazio. Queste regioni dello spazio sono indicate come orbitali di elettroni. E “forse comprensibile il motivo per cui le lezioni di chimica delle scuole superiori non portano direttamente con questo modello, anche se è il modello accettato oggi, perché ci vuole un po” più di tempo per ottenere la testa intorno!

Quella di Schrödinger non era proprio l’ultima parola sull’atomo. Nel 1932, il fisico inglese James Chadwick (uno studente di Ernest Rutherford) scoprì l’esistenza del neutrone, completando il nostro quadro delle particelle subatomiche che costituiscono un atomo. La storia non finisce qui; da allora i fisici hanno scoperto che i protoni e i neutroni che compongono il nucleo sono essi stessi divisibili in particelle chiamate quark-ma questo va oltre lo scopo di questo post! In ogni caso, l’atomo ci dà un grande esempio di come i modelli scientifici possono cambiare nel tempo, e mostra come nuove prove possono portare a nuovi modelli.

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