Ad oggi conosciamo circa 115 elementi diversi; per definizione, ognuno di essi è chimicamente unico. Per capire perché sono unici, è necessario comprendere la struttura dell’atomo (la particella fondamentale e individuale di un elemento) e le caratteristiche dei suoi componenti.
Gli atomi sono costituiti da elettroni, protoni e neutroni. Questa è una semplificazione eccessiva che ignora le altre particelle subatomiche che sono state scoperte, ma è sufficiente per la nostra discussione dei principi chimici
Gli elettroni e i protoni hanno cariche elettriche identiche in grandezza ma di segno opposto. Di solito assegniamo all’elettrone e al protone cariche relative di -1 e +1, rispettivamente.
I neutroni hanno all’incirca la stessa massa dei protoni, ma non hanno carica. Sono elettricamente neutri.
La massa di un protone o di un neutrone è circa 1836 volte superiore a quella di un elettrone. I protoni e i neutroni costituiscono la maggior parte della massa degli atomi.
La scoperta dell’elettrone e del protone è stata fondamentale per lo sviluppo del modello moderno dell’atomo e costituisce un eccellente caso di applicazione del metodo scientifico. In effetti, l’elucidazione della struttura dell’atomo è uno dei più grandi gialli della storia della scienza.
L’elettrone
Molto prima della fine del XIX secolo, era noto che l’applicazione di un’alta tensione a un gas contenuto a bassa pressione in un tubo sigillato (chiamato tubo a scarica di gas) provocava un flusso di elettricità attraverso il gas, che emetteva luce (Figura 1.16 “Un tubo a scarica di gas che produce raggi catodici”). I ricercatori che cercavano di capire questo fenomeno scoprirono che dal catodo, o dall’elettrodo con carica negativa, veniva emessa anche un’insolita forma di energia che prese il nome di raggi catodici. Nel 1897, il fisico britannico J. J. Thomson dimostrò che gli atomi non erano la forma definitiva della materia. Egli dimostrò che i raggi catodici potevano essere deviati, o piegati, da campi magnetici o elettrici, il che indicava che i raggi catodici sono costituiti da particelle cariche.
Ancora più importante, misurando l’entità della deflessione dei raggi catodici in campi magnetici o elettrici di varia intensità, Thomson fu in grado di calcolare il rapporto massa/carica delle particelle. Queste particelle venivano emesse dal catodo con carica negativa e respinte dal terminale negativo di un campo elettrico. Poiché le cariche simili si respingono e quelle opposte si attraggono, Thomson concluse che le particelle avevano una carica netta negativa; oggi chiamiamo queste particelle elettroni. Cosa molto importante per la chimica, Thomson scoprì che il rapporto massa/carica dei raggi catodici era indipendente dalla natura degli elettrodi metallici o del gas, il che suggeriva che gli elettroni erano componenti fondamentali di tutti gli atomi.
Successivamente, lo scienziato americano Robert Millikan effettuò una serie di esperimenti con gocce d’olio caricate elettricamente, che gli permisero di calcolare la carica di un singolo elettrone. Con queste informazioni e il rapporto massa-carica di Thomson, Millikan determinò la massa di un elettrone:
A questo punto iniziarono a convergere due linee di indagine distinte, entrambe volte a determinare come e perché la materia emette energia.
La radioattività
Il secondo filone di indagine iniziò nel 1896, quando il fisico francese Henri Becquerel scoprì che alcuni minerali, come i sali di uranio, emettevano una nuova forma di energia. Il lavoro di Becquerel fu notevolmente ampliato da Marie Curie e da suo marito Pierre; tutti e tre condivisero il Premio Nobel per la Fisica nel 1903. Marie Curie coniò il termine radioattività (dal latino radius, che significa “raggio”) per descrivere l’emissione di raggi energetici da parte della materia. Scoprì che un particolare minerale di uranio, la pechblenda, era sostanzialmente più radioattivo della maggior parte dei minerali, il che suggeriva che conteneva una o più impurità altamente radioattive. Partendo da diverse tonnellate di pechblenda, dopo mesi di lavoro i Curie isolarono due nuovi elementi radioattivi: il polonio, che prese il nome dalla Polonia, paese natale di Marie, e il radio, chiamato così per la sua intensa radioattività. Pierre Curie portava una fiala di radio nella tasca del cappotto per dimostrarne il bagliore verdastro, un’abitudine che lo portò ad ammalarsi di avvelenamento da radiazioni ben prima di essere investito da un carro trainato da cavalli e morire sul colpo nel 1906. Marie Curie, a sua volta, morì quasi certamente per avvelenamento da radiazioni.
Sulla base del lavoro dei Curie, il fisico britannico Ernest Rutherford eseguì esperimenti decisivi che portarono alla visione moderna della struttura dell’atomo. Lavorando nel laboratorio di Thomson, poco dopo la scoperta dell’elettrone da parte di Thomson, Rutherford dimostrò che i composti di uranio e di altri elementi emettevano almeno due tipi distinti di radiazioni. Una era facilmente assorbita dalla materia e sembrava essere costituita da particelle con carica positiva e massicce rispetto agli elettroni. Poiché si trattava del primo tipo di radiazione scoperto, Rutherford chiamò queste sostanze particelle α. Rutherford dimostrò anche che le particelle del secondo tipo di radiazione, le particelle β, avevano la stessa carica e lo stesso rapporto massa/carica degli elettroni di Thomson; oggi sono note come elettroni ad alta velocità. Un terzo tipo di radiazione, i raggi γ, fu scoperto un po’ più tardi e risultò simile a una forma di radiazione a bassa energia chiamata raggi X, oggi utilizzata per produrre immagini di ossa e denti.
Questi tre tipi di radiazioni – particelle α, particelle β e raggi γ – si distinguono facilmente per il modo in cui vengono deviati da un campo elettrico e per il grado di penetrazione nella materia: le particelle α hanno il potere penetrante minore e vengono fermate da un foglio di carta, mentre le particelle β possono passare attraverso sottili fogli di metallo ma vengono assorbite da fogli di piombo o persino da vetri spessi. Al contrario, i raggi γ possono penetrare facilmente nella materia; per fermarli sono necessari spessi blocchi di piombo o di cemento.
Il modello atomico
Quando gli scienziati giunsero alla conclusione che tutta la materia contiene elettroni con carica negativa, divenne chiaro che anche gli atomi, che sono elettricamente neutri, dovevano contenere cariche positive per bilanciare quelle negative. Thomson propose che gli elettroni fossero incorporati in una sfera uniforme che conteneva sia la carica positiva sia la maggior parte della massa dell’atomo, come l’uvetta nel budino di prugne o le gocce di cioccolato in un biscotto.
In un unico famoso esperimento, tuttavia, Rutherford dimostrò in modo inequivocabile che il modello dell’atomo di Thomson era impossibile. Rutherford puntò un flusso di particelle α su un bersaglio di lamina d’oro molto sottile ed esaminò come le particelle α venivano disperse dalla lamina. L’oro fu scelto perché poteva essere facilmente martellato in fogli estremamente sottili con uno spessore tale da ridurre al minimo il numero di atomi nel bersaglio. Se il modello di Thomson dell’atomo fosse corretto, le particelle α cariche positivamente dovrebbero schiantarsi attraverso la massa uniformemente distribuita del bersaglio d’oro come palle di cannone attraverso il lato di una casa di legno. Potrebbero muoversi un po’ più lentamente quando emergono, ma dovrebbero passare sostanzialmente dritte attraverso il bersaglio. Con grande stupore di Rutherford, una piccola parte delle particelle α fu deviata con grandi angoli e alcune furono riflesse direttamente alla sorgente. Secondo Rutherford, “era quasi incredibile come se si sparasse un proiettile di 15 pollici contro un pezzo di carta velina e questo tornasse indietro e ti colpisse”.
I risultati di Rutherford non sono coerenti con un modello in cui la massa e la carica positiva sono distribuite uniformemente in tutto il volume di un atomo. Al contrario, suggerivano fortemente che sia la massa che la carica positiva fossero concentrate in una piccola frazione del volume di un atomo, che Rutherford chiamava nucleo. Era logico che una piccola frazione delle particelle α si scontrasse con i nuclei, densi e carichi positivamente, sia di sfuggita, con conseguenti grandi deviazioni, sia quasi frontalmente, con riflessi diretti verso la sorgente.
Sebbene Rutherford non riuscisse a spiegare perché le repulsioni tra le cariche positive nei nuclei che contenevano più di una carica positiva non causassero la disintegrazione del nucleo, ragionò sul fatto che le repulsioni tra gli elettroni con carica negativa avrebbero causato una distribuzione uniforme degli elettroni in tutto il volume dell’atomo. Oggi sappiamo che le forze nucleari forti, molto più forti delle interazioni elettrostatiche, tengono uniti i protoni e i neutroni nel nucleo. Per questa e altre intuizioni, Rutherford ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1908.
Successivamente, Rutherford stabilì che il nucleo dell’atomo di idrogeno era una particella con carica positiva, per la quale coniò il nome di protone nel 1920. Egli suggerì anche che i nuclei di elementi diversi dall’idrogeno dovevano contenere particelle elettricamente neutre con una massa approssimativamente uguale a quella del protone. Il neutrone, tuttavia, fu scoperto solo nel 1932, quando James Chadwick, allievo di Rutherford; Premio Nobel per la Fisica, 1935) lo scoprì. Grazie al lavoro di Rutherford, divenne chiaro che una particella α contiene due protoni e neutroni ed è quindi semplicemente il nucleo di un atomo di elio.
Il modello dell’atomo di Rutherford è essenzialmente uguale a quello moderno, tranne per il fatto che ora sappiamo che gli elettroni non sono distribuiti uniformemente nel volume dell’atomo.
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