Stiamo facendo manutenzione.

Atomo di Rutherford

La fisica, lo studio della natura, la regina di tutte le scienze. Non poteva non avere un'area dedicata.
Rispondi
Avatar utente
Aspie96
Amministratore
Messaggi: 1386
Iscritto il: 23/02/2019, 19:52

Atomo di Rutherford

Messaggio da Aspie96 » 21/06/2014, 15:27

Un modello di atomo ancora molto utilizzato (e che molti credono corretto), più vicino alla realtà di quello di Thomson è quello proposto da Ernest Rutherford, I Barone Rutherford di Nelson (30 agosto 1871 – 19 ottobre 1937).

Rutherford scoprì due particelle: la particella α (alfa) e la particella β (beta).
Le particelle α sono particelle dotate di carica elettrica positiva e di una massa molto superiore a quelle delle particelle β (il nucleo di un atomo di elio è una particella α).
Le particelle β hanno invece una massa molto piccola e una carica elettrica negativa (le particelle β sono elettroni veloci).
[spoiler]In realtà si può trattare anche di positroni, cioè elettroni con carica elettrica positiva.[/spoiler]

Il piombo è in grado di fermare le particelle α, mentre alcuni materiali radioattivi, come il polonio, sono in grado di emetterle.
Inserendo quindi del polonio in una scatola di piombo si ottiene una sorgente di particelle α:
Immagine

L'esperimento su cui si basa il modello di Rutherford è l'"esperienza di Rutherford", anche detta "esperimento di Geiger e Marsden", per via della partecipazione di Johannes Wilhelm Geiger (30 settembre 1882 – 24 settembre 1945) e Sir Ernest Marsden (19 febbraio 1889 – 15 dicembre 1970).

Questo esperimento coinvolge una sorgente di particelle α, una lamina d'oro ed un foglio ricoperto di solfuro di zinco (ZnS).
L'oro è un materiale molto malleabile, quindi è facile crearne lamine molto sottili.
Il solfuro di zinco, invece, ha la proprietà di emettere luce quando viene colpito da particelle α ed è quindi utile per rilevarle.

Si svolge in questo modo:
Immagine

La maggior parte delle particelle α passa attraverso la lamina d'oro, senza nessuna deviazione (o quasi).
Il percorso di alcune, però, non è rettilineo e ce ne sono perfino che rimbalzano sulla lamina d'oro, tornando indietro.

La particella α è positiva, quindi ci deve essere all'interno dell'atomo qualcosa con una massa consistente, carica elettrica positiva (in modo da poter respingere la particella α, vedere l'articolo sull'atomo di Thomson per maggiori informazioni sulle cariche elettriche).

Tuttavia, questa pesante particella positiva all'interno dell'atomo deve essere molto, molto piccola (proprio perché la maggior parte delle particelle α non urta nulla durante il percorso).

Rutherford concepisce l'idea di nucleo: un corpo minuscolo, ma estremamente denso, formato da protoni e neutroni (lo scienziato introduce anche queste due particelle).
Il protone è una particella subatomica con carica elettrica positiva, opposta a quella dell'elettrone (quindi 1,6×10[sup]−19[/sup]C), ma una massa di gran lunga superiore (1,7×10[sup]−27[/sup]kg, ovvero più di 1800 volte quella dell'elettrone).
In neutrone è una particella subatomica priva di carica elettrica, con una massa di poco superiore a quella del protone.

Il nucleo risiede al centro dell'atomo e gli elettroni orbitano intorno ad esso, in modo analogo ai pianeti che orbitano intorno al sole (in questo caso, però, l'attrazione non è data dalla forza di gravità, ma dal fatto che gli elettroni, negativi, sono attratti dal nucleo, positivo).
Spesso viene rappresentato l'atomo di Rutherford, ma deve essere evidenziata una cosa: nelle rappresentazioni che spesso si vedono, la scala è errata.
L'atomo è enorme rispetto al nucleo, anche se questo, grazie alla sua altissima densità, contiene quasi tutta la massa dell'atomo stesso.
Nelle rappresentazioni il nucleo viene ingrandito enormemente (così come gli elettroni) e la distanza fra nucleo ed elettroni viene accorciata tantissimo. Altrimenti sarebbe impossibile visualizzare l'atomo di Rutherford. Si tratta di una necessità.

Dunque, nell'atomo c'è un nucleo piccolissimo, al centro, c'è una nube di elettroni che orbita ad una distanza (relativamente) grande (rispetto al nucleo) e il resto? È spazio vuoto, proprio quello spazio vuoto in cui le particelle α passano indisturbate, senza essere deviate.

Così come l'atomo di Thomson, anche l'atomo di Rutherford ha una carica elettrica complessiva pari a 0.
Il numero protoni all'interno del nucleo è il numero atomico dell'elemento a cui quell'atomo appartiene (il numero atomico è un numero che identifica ogni elemento della tavola periodica).
Il numero di elettroni è esattamente uguale al numero di protoni, quindi la carica complessiva dell'atomo è nulla.

Un'altra caratteristica di questo modello atomico è che se nel nucleo il ruolo dei protoni è renderlo positivo, quello dei neutroni è rendere l'atomo più stabile.



Molti ancora oggi utilizzano l'atomo di Rutherford come modello perché è un modello per certi aspetti vicino alla realtà e perché è comodo (può essere utilizzato per descrivere il passaggio di corrente elettrica all'interno di un conduttore, ad esempio).

Tuttavia, anche se molti credono che l'atomo sia davvero come Rutherford l'ha immaginato, in realtà il suo modello presenta dei problemi.
Li metto in uno spoiler:
[spoiler]Ci sono due importanti problemi relativi all'atomo di Rutherford:
  • Se applichiamo le leggi della fisica classica al moto degli elettroni, otteniamo che questi dovrebbero cadere sul nucleo.
    I più furbi potrebbero pensare che questo nei sistemi solari in genere non accade, ed è vero: un sistema solare può rimanere una situazione stabile anche per molto tempo.
    E allora perché un atomo dovrebbe collassare?
    Dunque, un elettrone è una particella dotata di carica elettrica.
    Secondo le leggi della fisica classica, una carica elettrica in stato di accelerazione irradia energia luminosa.
    Quando un corpo sta ruotando intorno ad un altro, per una questione che non è necessario approfondire ora, in questa sede, sta continuamente accelerando verso il centro della sua rotazione, anche se la sua velocità è sempre la stessa (per i più esperti: in realtà è il modulo della velocità a non cambiare. La direzione, invece, cambia).
    Ecco ora il problema: il fotone, "girando" intorno al nucleo, dovrebbe continuare ad irradiare energia. Tuttavia, per un'altra legge della fisica, l'energia non può mai essere creata dal nulla.
    L'elettrone, quindi, perderebbe l'energia che irradia. Perdendo energia, si avvicinerebbe al nucleo, fino a collassare su di esso.
  • Qui un problema un po' meno intuitivo: il nucleo è positivo e cariche elettriche positive si respingono. Il problema, quindi, è: perché il nucleo non esplode?

A causa di questi due problemi, il modello non è valido.[/spoiler]

Una descrizione dell'atomo di Ruterford è disponibile anche sotto forma di video:
[spoiler][youtube]cv8OygCCeh0[/youtube][/spoiler]

Vi invito a rispondere a questa discussione per chiedere eventuali chiarimenti.

Seguirà una descrizione del modello atomico di Bohr.

Rispondi