La teoria atomica: il modello di Bohr e i livelli energetici

Università San Raffaele Roma

Professore Gilda Aiello

Argomento
La teoria atomicaT

Università San Raffaele Roma

Gilda Aiello

La Teoria Atomica

Obiettivi

1. Conoscere la struttura atomica
2. Disposizione degli elettroni negli atomi (Configurazioni elettroniche)
3. E le loro collocazioni spaziali (orbitali)

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Gilda Aiello

La Teoria di Thomson e il modello atomico

Thomson (1897)
In seguito alla scoperta di cariche positive e cariche negative costituenti la materia, nel 1904 il fisico
inglese J.J. Thomson, nel suo modello atomico, ipotizzò che la carica positiva fosse omogeneamente
distribuita e che gli elettroni fossero incastonati nell'atomo come "l'uvetta nel panettone". Gli elettroni
comuni a tutti gli atomi, portano carica negativa unitaria (-1) e hanno massa molto piccola. Ogni
atomo contiene un numero definito di elettroni.

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Rutherford (1910) (Modello nucleare dell'atomo)

Bombardando una sottile lamina d'oro con particelle alfa prodotte da
una sorgente radioattiva, Rutherford dimostrò che la maggior
parte delle particelle attraversarono la lamina senza mutare
direzione, alcune venivano venivano riflesse indietro ad angoli
acuti. Egli dimostrò che quasi l'intera massa dell'atomo è
concentrata in un piccolo spazio al centro dell'atomo, il nucleo, e
che gli elettroni sono posti a grande distanza dal nucleo.
. Il nucleo ha un diametro di circa 10-15 m.
· Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m.
Fascio di
Nucleo degli
particelle & atomi d'oro
Atomi nella
lamina d'oro
Gli elettroni occupano
lo spazio al di furi del nucleo
circa 10-10 m
₭
regione occupata
dagli elettroni
nucleo
protone
neutrone
circa 10-15 m
Alcune particelle
vengono
considerevolmente e rimbalzano
deflesse
Alcune particelle œ
collidono con i nuclei
La gran parte delle particelle &
attraversa la lamina, o viene
deflessa molto lievemente
all'indietro.
verso la sorgente
"E' stato l'evento più incredibile che mi sia mai capitato. E' come se sparaste un proiettile da 15 pollici
contro un foglio di carta e questo rimbalzasse indietro a colpirvi"

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Caratteristiche del modello atomico di Rutherford

Atomo essenzialmente vuoto: poiché le particelle a hanno una massa notevolmente maggiore rispetto a quella di
un elettrone, per passare indisturbate oltre la lamina (e ciò accade per più del 99% di esse) non devono trovare
ostacolo nelle masse dei singoli atomi di oro. La massa di ciascun atomo d'oro avrebbe dovuto concentrarsi
in una regione particolare: il nucleo.
Nucleo carico positivamente: il nucleo deve essere 104-105 volte più piccolo (diametro nucleare 10-15 m) di quello
dell'atomo (diametro atomico 10-10 m), e deve essere carico positivamente: solo così si possono spiegare le
notevoli deviazioni nella traiettoria (anche con riflessione indietro) di un numero limitato di particelle a.
Modello planetario: dal momento che, in condizioni ordinarie, la materia è impenetrabile, bisogna supporre che
gli elettroni impegnino comunque, in un qualche modo, la periferia dell'atomo (lo spazio intorno al nucleo). In
prima approssimazione gli elettroni possono essere immaginati come i pianeti attorno al Sole.
Atomo elettricamente neutro: il numero degli elettroni, carichi negativamente, deve essere uguale a quello delle
cariche positive presenti nel nucleo, per cui l'atomo, nel suo complesso, è neutro. Lo stesso Rutherford
aveva chiamato protoni le più piccole particelle positive: il nucleo di un atomo neutro doveva essere formato da
tanti protoni quanti erano gli elettroni

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I LIMITI DELLE TEORIA DI RUTHERFORD

Non riesce a spiegare la stabilità dell'atomo e non consente di rispondere alle seguenti
domande:

• Perché diversi elementi hanno proprietà fisiche e chimiche così differenti?
• Perché esistono i legami chimici?
• Perché ogni elemento forma composti con formule caratteristiche?
• Come possono gli atomi dei diversi elementi emettere o assorbire luce solo di colori ben
  precisi?

La nuova teoria che riesce a spiegare l'organizzazione degli elettroni negli atomi,
giustificandone la stabilità e le proprietà, si basa sullo studio della luce emessa ed assorbita
dagli atomi e consente di sviluppare un modello dettagliato della configurazione elettronica
dei diversi elementi utile per comprendere la tavola periodica e il legame chimico

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La Meccanica Quantistica e il modello di Bohr

Per spiegare l'esistenza dell'atomo occorre un modello che tragga origine da una nuova
fisica basata su principi e postulati diversi da quelli classici:
LA MECCANICA QUANTISTICA o ONDULATORIA
Il modello di Bohr

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Gli spettri di emissione degli atomi sono a righe

Le teorie relative all'energia ed alla disposizione degli elettroni all'interno degli atomi sono
basate su studi sperimentali dell'interazione della materia con le Radiazioni elettromagnetiche
(es. luce visibile), in modo particolare dallo studio degli spettri di emissione atomica
formati da linee o bande impresse su pellicole fotografiche.
Quando si fornisce energia ad un atomo questo la riemette sotto forma di
radiazioni elettromagnetiche a ben determinate lunghezze d'onda.
Spettro Atomico: insieme delle righe spettrali derivanti dall'emissione di energia provocata
dall'interazione delle radiazioni elettromagnetiche con gli atomi > informazioni
dell'organizzazione degli elettroni negli atomi.

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LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

Onda elettromagnetica
lunghezza d'onda
2
campo elettrico
C
E
direzione
dell'onda
B
campo magnetico
Maxwell dimostrò che tutte le proprietà note della luce
erano spiegabili attraverso un insieme di equazioni
secondo cui la luce fosse un'onda elettromagnetica.
La luce visibile è una porzione ristretta della cosiddetta
radiazione elettromagnetica.
Radiazioni elettromagnetiche: energia che si
propaga nello spazio tramite campi elettrici e
magnetici sinusoidali ortogonali tra loro e rispetto
alla direzione di propagazione.
Caratterizzate da A = lunghezza d'onda, v =
frequenza e ampiezza.

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La radiazione elettromagnetica e lo spettro visibile

La radiazione elettromagnetica si muove nel vuoto con una velocità c = 3.00 x 108 m/s uguale per tutte le lunghezze d'onda. La
lunghezza d'onda (2) e la frequenza (v) della radiazione sono correlate tra loro e precisamente a lunghezze d'onda brevi corrispondono
frequenze elevate mentre a lunghezze d'onda lunghe corrispondono frequenze basse
C=AXV
La luce del sole (luce bianca) è composta da radiazioni elettromagnetiche a diverse 2 e v che possono
essere separate per passaggio attraverso un prisma.
SPETTRO VISIBILE
violetto
blu
verde giallo arancione
rosso
380
430
490
560
580
620
780 nm
bassa
prisma
frequenza
raggi
gamma
raggi
X
UV
IR microonde
onde
radio
onde radio lunghe
alta
schermo
frequenza
2
10-14 10-12 10-10 10-3 10-6 104 10-2 1
102 104 106 103
m
L'energia portata da ciascuna
radiazione è inversamente
proporzionale alla sua lunghezza
d'onda.
lampada
fessura
La luce visibile che va dal violetto al rosso (2 tra 700-400 nm) è solo una minima parte dello spettro della radiazione elettromagnetica,
molte onde elettromagnetiche hanno lunghezze d'onda che non possono essere percepite dall'occhio umano.

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Spettri atomici

Ogni elemento ha un suo spettro atomico a righe che lo caratterizza. Gli
spettri atomici sono dunque come un'impronta digitale dell'elemento
chimico.
Spettro continuo
Linee di emissione
Spettro di assorbimento
Quando la luce bianca passa attraverso degli atomi, la radiazione trasmessa manca
di alcune lunghezze d'onda che vengono assorbite. Ogni atomo assorbe radiazioni di
particolare frequenza d'onda, lasciando passare le radiazioni di altra frequenza
d'onda. Si realizza così uno spettro di assorbimento caratterizzato dalla presenza di
linee scure di assorbimento in corrispondenza delle lunghezze d'onda delle radiazioni
assorbite.
Linee di assorbimento
Spettro di emissione
L'insieme delle radiazioni elettromagnetiche di differenti frequenze emesse quando l'elettrone ritorna allo stato fondamentale
costituisce invece lo spettro di emissione.
PER UN DATO ATOMO, LO SPETTRO DI ASSORBIMENTO E QUELLO DI
EMISSIONE SONO UNO L'IMMAGINE NEGATIVA DELL'ALTRO

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Hydrogen Emission Spectrum

410
434
486
wavelength, À (nm)
656

INADEGUATEZZA DEL MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD

l'atomo avrebbe dovuto emettere uno spettro continuo, formato da tutte le lunghezze
d'onda corrispondenti a tutte le possibili posizioni occupate dall'elettrone nella sua
traiettoria a spirale verso il nucleo.

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Modello atomico di Bohr

Osservando gli spettri di emissione e di assorbimento dell'atomo di idrogeno, nel 1913 il fisico N. Bohr propose un modello
atomico (planetario come quello di Rutherfors) ad orbite quantizzate (quantità discrete, finite di E.). Nel modello di Bohr
l'elettrone non collassa sul nucleo, ma ruota senza emettere energia lungo orbite circolari prefissate: gli stati stazionari
Aumento di energia
dell'orbita
n =3
n =2
n=1
Viene emesso un fotone
con energia E=hv
Il modello si basa sui seguenti punti:

• 1- l'e- percorre solo determinate orbite circolari quantizzate, nelle quali ruota
  senza assorbire né emettere energia (stato fondamentale) ecco perche non può
  cadere sul nucleo, come conseguiva invece dal modello di Rutherford
• 2- L'e- assorbe energia solo se essa gli permette di saltare da un'orbita a
  un'altra di livello energetico maggiore (stato eccitato);
• 3- Se l'e- torna a un livello di energia minore l'atomo emette energia sotto
  forma di fotoni;
• 4- L'energia della luce, emessa o assorbita, è uguale alla differenza di energia
  delle due orbite.

L'ENERGIA DELL'ELETTRONE PUO' ASSUMERE SOLO VALORI BEN DEFINITI.

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