Atomo: differenze tra le versioni

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{{Infobox particella

| immagine = Helium atom QM.svg

| didascalia = Una rappresentazione di un atomo di [[elio]] allo stato fondamentale. Si distinguono il [[Nucleo atomico|nucleo]] (rosa) e la ''nube elettronica'' (nero). La barra nera riporta la lunghezza di un [[Ångströmångström]].

| nome = Atomo

| composizione = [[Elettrone|Elettroni]] e un [[Nucleo atomico|nucleo]] composto da [[protoni]] e [[neutroni]]

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== Storia ==

Il modello atomico oggi riconosciuto è l'ultima tappa di una serie di ipotesi che sono state avanzate nel tempo. In [[età antica]] alcuni filosofi greci, quali Leucippo ([[V secolo a.C.]]), Democrito (V-[[IV secolo a.C.]]) ed Epicuro (IV-[[III secolo a.C.]]), e [[filosofia latina|romani]], quali [[Tito Lucrezio Caro]] ([[I secolo a.C.]]), ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle minuscole e indivisibili, fondando così la "teoria atomica". Questa corrente filosofica, fondata da Leucippo, venne chiamata "[[atomismo]]". Si supponeva che i diversi "atomi" fossero differenti per forma e dimensioni.

Il modello atomico oggi riconosciuto è l'ultima tappa di una serie di ipotesi che sono state avanzate nel tempo.

In [[età antica]] alcuni filosofi greci, quali Leucippo ([[V secolo a.C.]]), Democrito (V-[[IV secolo a.C.]]) ed Epicuro (IV-[[III secolo a.C.]]), e [[filosofia latina|romani]], quali [[Tito Lucrezio Caro]] ([[I secolo a.C.]]), ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle minuscole e indivisibili, fondando così la "teoria atomica". Questa corrente filosofica, fondata da Leucippo, venne chiamata "[[atomismo]]". Si supponeva che i diversi "atomi" fossero differenti per forma e dimensioni.

Democrito propose la "teoria atomica", secondo cui la materia è costituita da minuscole particelle, diverse tra loro, chiamate atomi, la cui unione dà origine a tutte le [[sostanza chimica|sostanze]] conosciute. Queste particelle erano la più piccola entità esistente e non potevano essere ulteriormente divise: per questo erano chiamate atomi.

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Il [[corpuscolarismo]] è il postulato del XIII secolo dell'alchimista [[Jabir ibn Hayyan|Geber]], secondo il quale tutti i corpi fisici posseggono uno strato interno e uno esterno di particelle minuscole. La differenza con l'atomismo è che i corpuscoli possono essere divisi, veniva per questo teorizzato che il [[mercurio (elemento chimico)|mercurio]] potesse penetrare nei metalli modificandone la struttura interna. Il corpuscolarismo rimase la teoria dominante per i secoli successivi. Tale teoria servì come base a [[Isaac Newton]] per sviluppare la [[teoria corpuscolare della luce]].

[[File:A New System of Chemical Philosophy fp.jpg|thumb|Vari atomi e molecole rappresentati nella prima pagina di "A New System of Chemical Philosophy", di [[John Dalton]], pubblicato nel 1808.]]

Tra gli atomisti dell'[[età moderna]] ci fu [[Pierre Gassendi]], per via del suo recupero dell'[[epicureismo]].

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=== I modelli atomici ===

{{Vedi anche|Modello atomico di Thomson|Modello atomico di Nagaoka|Modello atomico di Rutherford|Modello atomico di Bohr}}[[File:Esperimento Rutherford.PNG|thumb|left|L'esperimento di Rutherford: poche [[Particella α|particelle alfa]] vengono deflesse dal [[campo elettrico]] del nucleo; la maggior parte di esse attraversa lo spazio vuoto dell'atomo.]]

Con la scoperta della [[radioattività]] naturale si intuì successivamente che gli atomi non erano particelle indivisibili, bensì erano oggetti composti da parti più piccole. Nel 1902 [[Joseph John Thomson]] propose il primo modello fisico dell'atomo<ref>Caforio e Ferilli, Physica, Ed. Le Monnier, pag. 251.</ref>, successivamente alle sue ricerche sul rapporto tra la massa e la carica dell'elettrone.<ref name=lip7>{{Cita|Liptrot|p. 7.}}.</ref> Egli immaginò che un atomo fosse costituito da una sfera fluida di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano stati ancora scoperti) in cui gli elettroni (negativi) erano immersi ('''[[modello a panettone]]''', in inglese ''plum pudding model''<ref name=lip7/> o '''modello ad atomo pieno'''), rendendo neutro l'atomo nel suo complesso.<ref name=lip7/>

Questo modello fu superato quando [[Ernest Rutherford]] scoprì la presenza di un [[nucleo atomico]] caricato positivamente. Nel 1910, due allievi di Rutherford ([[Hans Wilhelm Geiger|Geiger]] e [[Ernest Marsden|Marsden]]) svolsero un [[Esperimento di Rutherford|esperimento cruciale]], con lo scopo di convalidare il modello di Thomson.<ref name=lip8>{{Cita|Liptrot|p. 8.}}.</ref> Essi bombardarono un sottilissimo foglio di [[oro]], posto fra una sorgente di [[Particella α|particelle alfa]] e uno schermo.<ref name=lip8/> Le particelle, attraversando la lamina, lasciarono una traccia del loro passaggio sullo schermo. L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non venivano quasi mai deviati; solo l'1% dei raggi incidenti era deviato considerevolmente dal foglio di oro (alcuni venivano completamente respinti).

[[File:Rutherford atom.svg|thumb|L'atomo nel modello formulato da [[Ernest Rutherford|Rutherford]] è composto da un [[nucleo atomico]] positivo con gli [[elettrone|elettroni]] negativi che gli orbitano attorno come i [[pianeta|pianeti]] fanno attorno al Sole.]]

Attraverso questo esperimento Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta la massa dell'atomo fosse concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotassero attorno così come i [[pianeti]] ruotano attorno al [[Sole]] ('''modello planetario''').<ref>{{Cita|Silvestroni|p. 2}}.</ref> L'atomo era comunque largamente composto da spazio vuoto, e questo spiegava il perché del passaggio della maggior parte delle particelle alfa attraverso la lamina. Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relativamente enormi, con orbite aventi un diametro da 10.000{{formatnum:10000}} a 100.000{{formatnum:100000}} volte maggiore di quello del nucleo. [[Ernest Rutherford|Rutherford]] intuì che i [[protoni]] (particelle cariche nel nucleo) da soli non bastavano a giustificare tutta la massa del nucleo e formulò l'ipotesi dell'esistenza di altre particelle, che contribuissero a formare l'intera massa del nucleo.

{{Approfondimento

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}}

Il modello di Rutherford aveva incontrato una palese contraddizione con le leggi della [[fisica classica]]: secondo la teoria [[elettromagnetismo|elettromagnetica]], una carica che subisce una un'[[accelerazione]] emette [[energia]] sotto forma di [[radiazione elettromagnetica]]. Per questo motivo gli elettroni dell'atomo di Rutherford, che si muovono di [[moto circolare]] intorno al nucleo, avrebbero dovuto emettere onde elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, cadere nel nucleo stesso ('''teoria del collasso'''), cosa che evidentemente non accade.<ref>Il fenomeno dell'[[annichilazione]] invece avviene tra [[fisica delle particelle|particella]] e [[antiparticella]].</ref> Inoltre un elettrone, nel perdere energia, potrebbe emettere onde elettromagnetiche di qualsiasi [[lunghezza d'onda]], operazione preclusa nella teoria e nella pratica dagli studi sul [[corpo nero]] di [[Max Planck]] (e successivamente di [[Albert Einstein]]). {{chiarire|Solo la presenza di livelli di energia quantizzati per quanto riguarda gli stati degli elettroni poteva spiegare i risultati sperimentali: la stabilità degli atomi rientra nelle proprietà spiegabili mediante la [[meccanica quantistica]], crescenti con il numero atomico degli elementi secondo incrementi dei tempi di stabilità via via decrescenti ([[ottetto elettronico|regola dell'ottetto]] e [[regola dei 18 elettroni]]).}}

[[File:Bohr atom model.svg|thumb|upright=1.2|Nel modello di Bohr dell'[[atomo di idrogeno]], un elettrone può percorrere solamente alcune determinate traiettorie classiche. Queste traiettorie sono stabili e discrete, indicate con un numero intero progressivo <math>n = 1, 2, 3, \dots</math>. Ogni qual volta l'elettrone scende a una un'orbita inferiore emette radiazione elettromagnetica, sotto forma di un [[fotone]], di energia corrispondente all'energia persa in accordo con le evidenze sperimentali dello [[spettro dell'atomo di idrogeno]]).]]

Nel 1913 [[Niels Bohr]] propose una modifica concettuale al modello di Rutherford. Pur accettandone l'idea di ''modello planetario'' postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite fisse, dette anche "orbite quantizzate", queste orbite possedevano un'energia quantizzata (ossia un'energia già prestabilita identificata da un numero detto numero quantico principale N) nelle quali gli elettroni non emettevano né assorbivano energia (questa infatti rimaneva costante): in particolare, un elettrone emetteva o assorbiva energia sotto forma di [[Radiazione elettromagnetica|onde elettromagnetiche]] solo se effettuava una transizione da un'orbita all'altra, e quindi passava a uno stato a energia minore o maggiore. In seguito, [[Arnold Sommerfeld|Sommerfeld]] propose una correzione al modello di Bohr, secondo cui si aveva una buona corrispondenza fra la teoria e le osservazioni degli [[spettro (fisica)|spettri]] della radiazione emessa o assorbita degli atomi.

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In particolare:

* i protoni ([[carica elettrica|carichi]] positivamente<ref>[http://goldbook.iupac.org/P04906.html IUPAC Gold Book, "proton"].</ref>) e i neutroni (privi di carica<ref>[http://goldbook.iupac.org/N04116.html IUPAC Gold Book, "neutron"].</ref>) formano il "[[nucleo atomico|nucleo]]" (carico positivamente); protoni e neutroni sono detti quindi "[[Nucleone|nucleoni]]";<ref>[http://goldbook.iupac.org/N04247.html IUPAC Gold Book, "nucleon"].</ref> esiste anche la possibilità che un atomo non contenga neutroni<ref name="thermo">{{en}} [http://www.thermopedia.com/content/571 Thermopedia, "Atom"].</ref> (è il caso del [[Prozio (chimica)|prozio]], l'[[isotopo]] più comune dell'[[idrogeno]]);

* gli elettroni (carichi negativamente<ref>[http://goldbook.iupac.org/E01975.html IUPAC Gold Book, "electron"].</ref>) sono presenti in un atomo neutro nello stesso numero dei [[protone|protoni]]<ref>[http://goldbook.iupac.org/A00493.html IUPAC Gold Book, "atom"].</ref> e ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa (l'elettrone si dice quindi "delocalizzato"), rimanendo confinati all'interno degli [[Orbitale atomico|orbitali]] (o "livelli energetici"). Se il numero di elettroni presenti nell'atomo è differente dal numero di protoni, l'atomo perde la sua neutralità e si parla di "[[ione]]".<ref name=thermo/>

Esistono in realtà anche atomi costituiti da particelle differenti, detti "[[atomo esotico|atomi esotici]]". Tali atomi hanno comunque una vita molto breve.

In proporzione, se il nucleo atomico fosse grande quanto una mela, gli elettroni gli ruoterebbero attorno a una distanza pari a circa un [[chilometro]]; un nucleone ha massa quasi {{formatnum:1800}} volte superiore a quella di un elettrone.

Avendo la stessa carica positiva i protoni si dovrebbero respingere tra loro; ciò non avviene perché sono tenuti insieme dalla cosiddetta [[interazione forte|forza nucleare forte]].

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[[File:Atom.svg|thumb|Rappresentazione schematica di un atomo di [[elio]].<br />Attorno al nucleo, composto da due neutroni (in verde) e due protoni (in rosso), ruotano gli elettroni (in giallo).]]

Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:

* [[Numero di massa]] (''A''): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo.<ref>[http://goldbook.iupac.org/M03726.html IUPAC Gold Book, "mass number"].</ref>

* [[Numero atomico]] (''Z''): il numero dei protoni nel nucleo,<ref>[http://goldbook.iupac.org/A00499.html IUPAC Gold Book, "atomic number"].</ref> che, allo stato neutro, corrisponde al numero di elettroni esterni a esso.<ref>Nel suo complesso ogni atomo presenta quindi carica elettrica nulla.</ref>

Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico.

Esiste una grandezza che ne quantifica la massa, definita massa atomica, espressa in [[unità di massa atomica]] (o ''u''), dove una unità di massa atomica equivale alla dodicesima parte della massa di un atomo di [[Carbonio 12|carbonio-12]] (¹²C).<ref name="U06554">[http://goldbook.iupac.org/U06554.html IUPAC Gold Book, "unified atomic mass unit"].</ref> Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo è normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia è normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi o aggregati di atomi elettricamente carichi, chiamati [[ione|ioni]],<ref>[http://goldbook.iupac.org/I03158.html IUPAC Gold Book, "ion"].</ref> che possono essere generati per esempio da una [[Dissociazione (chimica)|dissociazione]] di [[entità molecolare|entità molecolari]] inizialmente neutre; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa.

Il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero dei protoni nel nucleo: essendo le predette cariche di valore assoluto uguale, un atomo è normalmente elettricamente neutro e pertanto la materia è normalmente elettricamente neutra. Tuttavia esistono atomi o aggregati di atomi elettricamente carichi, chiamati [[ione|ioni]],<ref>[http://goldbook.iupac.org/I03158.html IUPAC Gold Book, "ion"]</ref> che possono essere generati per esempio da una [[Dissociazione (chimica)|dissociazione]] di [[entità molecolare|entità molecolari]] inizialmente neutre; gli ioni possono essere quindi di carica positiva o negativa.

Gli atomi aventi lo stesso numero atomico hanno le stesse proprietà chimiche: si è dunque convenuto a definirli appartenenti allo stesso [[elemento chimico|elemento]].<ref>[http://goldbook.iupac.org/C01022.html IUPAC Gold Book, "chemical element"].</ref>

Due atomi possono differire anche nell'avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa (cioè uguale numero di protoni ma differente numero di neutroni): simili atomi sono detti [[isotopo|isotopi]]<ref>[http://goldbook.iupac.org/I03331.html IUPAC Gold Book, "isotopes"].</ref> e hanno medesime proprietà chimiche. Per esempio l'atomo di [[idrogeno]] ha più isotopi: in natura infatti esso è presente in grande maggioranza come ¹H (o [[Prozio (chimica)|Prozioprozio]], formato da un protone e un elettrone) e in minore quantità da ²H (o [[deuterio]]<ref>nellNell'[[acqua pesante]] gli atomi di idrogeno sono completamente sostituiti da quelli di deuterio.</ref>, che è formato da un protone, un neutrone e un elettrone) e ³H (o [[trizio]], estremamente raro, formato da un protone, due neutroni e un elettrone). Dal punto di vista chimico, idrogeno, deuterio e trizio presentano identiche proprietà.

== Proprietà ==

=== Massa ===

Poiché la massa di un atomo deriva essenzialmente dai protoni e neutroni la massa totale di tali particelle in un atomo è chiamatochiamata [[massa atomica]]. Come [[unità di massa atomica]] si usa la dodicesima parte della massa di un atomo di [[carbonio]]-12 (¹²C); tale unità corrisponde a un [[Dalton (unità di misura)|dalton]] (Da)<ref>[http://goldbook.iupac.org/D01514.html IUPAC Gold Book, "dalton"].</ref> e vale approssimativamente {{M|1,66|e=-27}} kg.<ref name=U06554/>

=== Dimensione atomica ===

[[File:String theory.svg|thumb|left|La materia a diverse scale di grandezza:<br />1. [[Materia (fisica)|Materia]] (macroscopico)<br />2. [[Molecola|Struttura molecolare]] ('''atomi''')<br />3. '''Atomo''' ([[neutrone]], [[protone]], [[elettrone]])<br />4. [[Elettrone]]<br />5. [[Quark (particella)|Quark]]<br />6. [[Teoria delle stringhe|Stringhe]] (ipotetiche)]]

Gli atomi non hanno un contorno ben definito, in quanto la distanza degli elettroni rispetto al nucleo varia in ogni istante ed è influenzata dalle condizioni energetiche dell'atomo, in particolare aumenta all'aumentare della temperatura e diminuisce in seguito alla formazione di un legame chimico.

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[[File:HAtomOrbitals.png|thumb|[[Orbitale atomico]]]]

Per avere un'idea della dimensione di un atomo può essere utile confrontare tale dimensione con la dimensionequella di oggetti più grandi, per esempio:

* il diametro di un capello umano corrisponde a circa un milione di atomi di carbonio disposti in fila;

* una goccia d'acqua contiene {{M|2|e=21}} atomi di ossigeno e {{M|4|e=21}} atomi di idrogeno;

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Le proprietà chimiche di un atomo, cioè la sua capacità a formare [[legame chimico|legami]] con altri atomi, dipendono principalmente dalla sua struttura elettronica<ref name=thermo/> (e quindi indirettamente dal numero di protoni, essendo uguale il numero di elettroni e protoni di un atomo), mentre non è influenzata dal numero di neutroni. Da ciò deriva l'utilità di classificare gli atomi nella [[tavola periodica degli elementi]], dove a ciascun elemento corrispondono gli isotopi aventi la stessa struttura elettronica, a prescindere dal numero di neutroni.

{{clear}}

==Fotografia==

Nel 2018 è stata scattata agli atomi di [[praseodimio]] una fotografia con la più alta risoluzione mai realizzata e ingrandita 100 milioni di volte, catturando uno spessore variabile da alcune decine a centinaia di atomi. Il risultato è entrato nel Guinness World Record del 2018.<ref>{{Cita web|lingua=it-IT|autore=Pasquale D'Anna|url=https://www.passioneastronomia.it/rilasciata-la-foto-di-un-atomo-con-la-piu-alta-risoluzione-mai-scattata/|titolo=Rilasciata la foto di un atomo con la più alta risoluzione mai scattata|sito=Passione Astronomia|data=2025-02-01|accesso=2025-02-02}}</ref>

La tecnica utilizzata la psicografia elettronica che prevede di sparare un fascio di circa un miliardo di elettroni al secondo sul materiale da analizzare. Se da un lato non è possibile conoscere l'esatta collocazione degli atomi, dall'altra è possibile calcolare dove si andranno a collocare i loro bersagli.

Sulla base del pattern di macchie generato dall’impatto di questi elettroni, gli algoritmi tecnologici possono calcolare dove si trovano gli atomi.<ref>{{Cita web|lingua=en|autore=Anna Blaustein|url=https://www.scientificamerican.com/article/see-the-highest-resolution-atomic-image-ever-captured/|titolo=See the Highest-Resolution Atomic Image Ever Captured|sito=Scientific American|data=2021-08-01|accesso=2025-02-02}}</ref>

== Note ==