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Atomo

La più piccola frazione di un elemento in grado di conservarne le caratteristiche chimiche e fisiche. L'atomo è una struttura complessa costituita da diversi tipi di particelle: protoni (che portano una carica positiva), neutroni (elettricamente neutri) ed elettroni (che portano una carica negativa). Protoni e neutroni (a loro volta formati da particelle elementari, dette quark) sono riuniti nel nucleo, intorno al quale sono distribuiti gli elettroni. Il diverso numero di protoni nel nucleo caratterizza i differenti elementi (quelli finora noti sono ca. 110): tale numero è detto numero atomico (Z); il numero dei nucleoni (cioè la somma del numero di protoni e neutroni) è definito invece numero di massa A (o massa atomica o peso atomico). In un atomo elettricamente neutro, il numero dei protoni e di elettroni si uguaglia (gli elettroni possono essere in parte perduti o acquistati da un atomo nel corso di una reazione chimica; in tal caso si forma, rispettivamente, uno ione positivo o catione e uno ione negativo o anione, ma l'individualità chimica dell'atomo rimane inalterata). Gli elementi sono ordinati nel sistema periodico secondo il numero atomico degli atomi che li caratterizzano. Tutti gli elementi posseggono atomi che, pur avendo uguale numero atomico,hanno diversa massa atomica, dovuta alla presenza nel nucleo di un differente numero di neutroni: tali atomi sono detti isotopi e alcuni sono instabili e quindi radioattivi (è per l'esistenza degli isotopi che il numero di massa di un elemento non è un numero intero. in quanto risulta dalla media pesata dei numeri di massa dei vari isotopi). L'unità di misura del peso atomico è l'unità di massa atomica o a.m.u. (atomic mass unity) ed è fissata in 1/12 della massa del carbonio-12 (6 protoni r 6 neutroni) e coincide con il numero di massa. Quando due o più atomi di uno stesso elemento si combinano, si formano molecole eteroatomiche e in tal caso si ottengono composti chimici.

Il nucleo

Praticamente la totalità della massa dell'atomo si concentra nel nucleo (essendo la massa dell'elettrone poco meno di 2000 volte inferiore a quelle del protone e del neutrone). Protoni e neutroni sono anche chiamati collettivamente nucleoni. All'interno del nucleo la repulsione elettrica tra i protoni carichi positivamente è molto intensa: il nucleo è mantenuto unito da una forza specifica, detta interazione (o forza) nucleare forte, di natura diversa dalle forze gravitazionale ed elettrica che agiscono nel mondo macroscopico. La forza nucleare forte è estremamente intensa, ma decresce molto rapidamente all'aumentare della distanza tra i nucleoni (al raddoppiare della distanza diminuisce di 100 volte); perciò il nucleo, quando le sue dimensioni aumentano tanto da non permettere alla forza forte di superare quella elettrica repulsiva, tende a rompersi e a trasformarsi in nuclei più stabili. La massa del nucleo atomico non è mai esattamente uguale alla somma delle masse dei singoli protoni e neutroni che lo compongono, ma risulta leggermente inferiore (difetto di massa), perché una parte di essa si presenta sotto forma di energia che lega i nucleoni tra loro (massa ed energia sono equivalenti, secondo la teoria della relatività di Einstein).

La distribuzione degli elettroni

Gli elettroni sono disposti attorno il nucleo secondo criteri non casuali: il raggio delle orbite a cui essi sono vincolati può infatti assumere solo valori multipli interi del cosiddetto raggio di Bohr, che è il raggio dell'orbita più interna. A ogni orbita corrisponde una certa energia media dipendente dalla distanza dal nucleo. Le orbite sono sferiche o ellissoidali; la forma diversa determina lievi, ma importanti, differenze tra l'energia delle orbite di uno stesso livello energetico. Inoltre, ogni orbita segue un orientamento in base alla magnetizzazione dell'elettrone (che, essendo una carica elettrica in moto, si comporta come un piccolo ago magnetico). Perciò, per conoscere lo stato di un elettrone bisogna misurarne energia media, forma dell'orbita e magnetizzazione; nonché lo spin, una grandezza puramente quantistica, che si può immaginare come un momento angolare dovuto alla rotazione dell'elettrone su se stesso. Le quattro "coordinate" che identificano un elettrone nell'atomo sono detti numeri quantici principali. Essi sono numeri interi; tranne lo spin che può assumere solo i valori -1/2 e +1/2.

Le orbite degli elettroni

Per ogni livello di energia sono possibili 2 orbite di forma diversa, cioè con diverso numero quantistico azimutale; su ogni orbita possono muoversi solo due elettroni, che devono possedere spin opposti (principio di esclusione di Pauli, dal nome del fisico tedesco W. Pauli che lo formulò nel 1925). Ai vari livelli energetici vengono associate le lettere maiuscole K, L, M, N....., mentre alle varie orbite vengono associate le lettere minuscole s, p, .....All'interno di un atomo, per indicare un'orbita di un certo livello energetico si premette al simbolo dell'orbita il valore di n (che rappresenta l'energia dell'elettrone) del livello stesso: l'orbita s del livello N, per esempio, è simbolizzata dalla scrittura 4s. Tra due livelli energetici l'elettrone tende a "occupare"sempre quello a energia minore. In base a questo principio, nell'idrogeno l'unico elettrone si trova nell'orbita 1s; nel litio, dei tre elettroni, due si trovano su 1s e uno deve occupare l'orbita successiva 2s. A mano a mano che il numero atomico aumenta, vengono riempiti tutti i livelli energetici e la orbite: gli elementi conosciuti arrivano fino all'orbita 7s.

Salti di orbita e ionizzazione

Se si fornisce energia ad un elettrone (cioè se lo si eccita), per esempio, per mezzo di una radiazione di frequenza opportuna, esso salta su un'orbita superiore per poi ritornare sull'orbita di partenza perdendo l'energia in eccesso sotto forma di luce, o di un altro tipo di onda elettromagnetica. Se l'energia fornita è superiore all'energia che caratterizza l'orbita più esterna, l'elettrone viene strappato all'atomo, che si carica positivamente (ionizzazione). Ogni atomo possiede livelli energetici fissi e di conseguenza determinati sono anche i possibili salti di orbita dei suoi elettroni: per questo, il colore (cioè la lunghezza d'onda) della luce emessa da un elemento allo stato gassoso è caratteristico e ne determina lo spettro.

Orbite e orbitali

Finora, per comodità espositiva, si è parlato di orbite, traiettorie, energie e altre grandezze fisiche secondo il modello classico formulato prima dell'elaborazione della teoria quantistica. Secondo la visione moderna, determinata dal principio di indeterminazione di Heisenberg, non ha più senso parlare di traiettoria: quello che si può conoscere è la possibilità che l'elettrone si trovi in una certa posizione in un certo istante e che successivamente si trovi in un altro punto. Perciò al concetto di orbita è stato sostituito quello di orbitale, che rappresenta in termini matematici la regione di spazio in cui la probabilità di trovare l'elettrone è massima. Quando gli atomi si combinano formando molecole, si stabiliscono tra di essi legami dovuti, in molti casi, alla messa in compartecipazione dei loro elettroni più esterni. Ciò comporta che i loro orbitali atomici si sovrappongano e si modifichino, trasformandosi in orbitali molecolari.

http://it.wikipedia.org/wiki/Atomo

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