La teoria atomica ha fatto molta strada negli ultimi millenni. A partire dal V secolo a.C. con la teoria democratica dei "corpuscoli" indivisibili che interagiscono tra loro meccanicamente, per poi passare al modello atomico di Dalton nel 18 ° secolo, per poi maturare nel 20 ° secolo con la scoperta di particelle subatomiche e teoria quantistica, il viaggio alla scoperta è stato lungo e tortuoso.
Probabilmente, una delle pietre miliari più importanti lungo la strada è stata il modello atomico di Bohr, che a volte viene definito il modello atomico di Rutherford-Bohr. Proposto dal fisico danese Niels Bohr nel 1913, questo modello descrive l'atomo come un piccolo nucleo carico positivamente circondato da elettroni che viaggiano in orbite circolari (definite dai loro livelli di energia) attorno al centro.
Teoria atomica al XIX secolo:
I primi esempi noti di teoria atomica provengono dall'antica Grecia e dall'India, dove filosofi come Democrito ipotizzavano che tutta la materia fosse composta da unità minuscole, indivisibili e indistruttibili. Il termine "atomo" è stato coniato nell'antica Grecia e ha dato origine alla scuola di pensiero nota come "atomismo". Tuttavia, questa teoria era più un concetto filosofico che scientifico.
Non è stato fino al 19 ° secolo che la teoria degli atomi si è articolata come una questione scientifica, con i primi esperimenti basati su prove. Ad esempio, nei primi anni del 1800, lo scienziato inglese John Dalton usò il concetto di atomo per spiegare perché gli elementi chimici reagivano in certi modi osservabili e prevedibili. Attraverso una serie di esperimenti che coinvolgono gas, Dalton ha continuato a sviluppare quella che è conosciuta come la teoria atomica di Dalton.
Questa teoria si estese alle leggi della conversazione di massa e proporzioni definite e arrivò a cinque premesse: gli elementi, nel loro stato più puro, sono costituiti da particelle chiamate atomi; gli atomi di un elemento specifico sono tutti uguali, fino all'ultimo atomo; gli atomi di diversi elementi possono essere separati dai loro pesi atomici; atomi di elementi si uniscono per formare composti chimici; gli atomi non possono essere né creati né distrutti nella reazione chimica, solo il raggruppamento cambia mai.
Scoperta dell'elettrone:
Entro la fine del 19 ° secolo, gli scienziati hanno anche iniziato a teorizzare che l'atomo fosse composto da più di un'unità fondamentale. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati si è azzardata a ritenere che questa unità avrebbe le dimensioni del più piccolo atomo conosciuto - idrogeno. Entro la fine del 19 ° secolo, questo cambierebbe drasticamente, grazie alla ricerca condotta da scienziati come Sir Joseph John Thomson.
Attraverso una serie di esperimenti usando tubi a raggi catodici (noti come il tubo di Crookes), Thomson osservò che i raggi catodici potevano essere deviati da campi elettrici e magnetici. Concluse che invece di essere composte da luce, erano costituite da particelle caricate negativamente che erano 1ooo volte più piccole e 1800 volte più leggere dell'idrogeno.
Ciò ha effettivamente smentito l'idea che l'atomo di idrogeno fosse la più piccola unità di materia e Thompson andò oltre a suggerire che gli atomi fossero divisibili. Per spiegare la carica complessiva dell'atomo, che consisteva in cariche sia positive che negative, Thompson propose un modello in base al quale i "corpuscoli" caricati negativamente venivano distribuiti in un mare uniforme di carica positiva, noto come Plum Pudding Model.
In seguito questi corpuscoli sarebbero stati chiamati "elettroni", in base alla particella teorica prevista dal fisico anglo-irlandese George Johnstone Stoney nel 1874. E da questo nacque il Plum Pudding Model, così chiamato perché assomigliava molto al deserto inglese che consiste di plumcake e uvetta. Il concetto fu introdotto nel mondo nell'edizione del Regno Unito del marzo 1904 Rivista filosofica, con grande successo.
Il modello di Rutherford:
Esperimenti successivi hanno rivelato una serie di problemi scientifici con il modello Plum Pudding. Per cominciare, c'era il problema di dimostrare che l'atomo possedeva una carica di fondo positiva uniforme, che divenne noto come "Problema di Thomson". Cinque anni dopo, il modello sarebbe stato smentito da Hans Geiger ed Ernest Marsden, che hanno condotto una serie di esperimenti usando particelle alfa e lamina d'oro - alias. l '"esperimento sulla lamina d'oro".
In questo esperimento, Geiger e Marsden hanno misurato il modello di dispersione delle particelle alfa con uno schermo fluorescente. Se il modello di Thomson fosse corretto, le particelle alfa passerebbero senza impedimenti attraverso la struttura atomica della lamina. Tuttavia, hanno notato invece che mentre la maggior parte sparava direttamente, alcuni di essi erano sparsi in varie direzioni, mentre alcuni tornavano nella direzione della fonte.
Geiger e Marsden conclusero che le particelle avevano incontrato una forza elettrostatica molto maggiore di quella consentita dal modello di Thomson. Poiché le particelle alfa sono solo nuclei di elio (che sono caricati positivamente), ciò implicava che la carica positiva nell'atomo non era ampiamente dispersa, ma concentrata in un volume minuscolo. Inoltre, il fatto che quelle particelle che non erano state deviate attraversassero senza ostacoli significava che questi spazi positivi erano separati da vasti abissi di spazio vuoto.
Nel 1911, il fisico Ernest Rutherford interpretò gli esperimenti di Geiger-Marsden e respinse il modello dell'atomo di Thomson. Invece, ha proposto un modello in cui l'atomo era costituito principalmente da spazio vuoto, con tutta la sua carica positiva concentrata nel suo centro in un volume molto piccolo, che era circondato da una nuvola di elettroni. Questo divenne noto come il modello dell'atomo di Rutherford.
Il modello Bohr:
I successivi esperimenti di Antonius Van den Broek e Niels Bohr hanno perfezionato ulteriormente il modello. Mentre Van den Broek ha suggerito che il numero atomico di un elemento è molto simile alla sua carica nucleare, quest'ultimo ha proposto un modello dell'atomo simile al sistema solare, in cui un nucleo contiene il numero atomico di carica positiva ed è circondato da un uguale numero di elettroni nei gusci orbitali (alias il modello di Bohr).
Inoltre, il modello di Bohr ha perfezionato alcuni elementi del modello di Rutherford che erano problematici. Questi includevano i problemi derivanti dalla meccanica classica, che prevedeva che gli elettroni avrebbero rilasciato radiazioni elettromagnetiche mentre orbitavano attorno a un nucleo. A causa della perdita di energia, l'elettrone dovrebbe essersi rapidamente spostato verso l'interno e collassato nel nucleo. In breve, questo modello atomico implicava che tutti gli atomi fossero instabili.
Il modello prevedeva inoltre che, man mano che gli elettroni avanzavano a spirale verso l'interno, la loro emissione aumenterebbe rapidamente in frequenza man mano che l'orbita diventava più piccola e più veloce. Tuttavia, esperimenti con scariche elettriche alla fine del XIX secolo hanno mostrato che gli atomi emettono energia elettromagnetica solo a determinate frequenze discrete.
Bohr lo risolse proponendo che gli elettroni in orbita attorno al nucleo fossero coerenti con la teoria quantistica della radiazione di Planck. In questo modello, gli elettroni possono occupare solo determinati orbitali consentiti con un'energia specifica. Inoltre, possono solo guadagnare e perdere energia saltando da un'orbita all'altra, assorbendo o emettendo radiazioni elettromagnetiche nel processo.
Queste orbite erano associate a energie definite, a cui si riferiva gusci di energia o livelli di energia. In altre parole, l'energia di un elettrone all'interno di un atomo non è continua, ma "quantizzata". Questi livelli sono quindi etichettati con il numero quantico n (n = 1, 2, 3, ecc.) che sosteneva potesse essere determinato usando la formula Ryberg, una regola formulata nel 1888 dal fisico svedese Johannes Ryberg per descrivere le lunghezze d'onda delle linee spettrali di molti elementi chimici.
Influenza del modello di Bohr:
Mentre il modello di Bohr si è rivelato rivoluzionario sotto alcuni aspetti - fondendo la costante di Ryberg e la costante di Planck (alias. Teoria quantistica) con il Modello di Rutherford - soffriva di alcuni difetti che gli esperimenti successivi avrebbero illustrato. Per cominciare, supponeva che gli elettroni avessero sia un raggio che un'orbita noti, qualcosa che Werner Heisenberg avrebbe confutato un decennio dopo con il suo Principio di incertezza.
Inoltre, mentre era utile per predire il comportamento degli elettroni negli atomi di idrogeno, il modello di Bohr non era particolarmente utile nel predire gli spettri di atomi più grandi. In questi casi, dove gli atomi hanno più elettroni, i livelli di energia non erano coerenti con quanto previsto da Bohr. Inoltre, il modello non funzionava con atomi di elio neutri.
Anche il modello Bohr non poteva spiegare l'effetto Zeeman, un fenomeno notato dai fisici olandesi Pieter Zeeman nel 1902, in cui le linee spettrali sono divise in due o più in presenza di un campo magnetico statico esterno. Per questo motivo, furono tentati diversi perfezionamenti con il modello atomico di Bohr, ma anche questi si rivelarono problematici.
Alla fine, ciò porterebbe a sostituire il modello di Bohr con la teoria quantistica, in linea con il lavoro di Heisenberg e Erwin Schrodinger. Tuttavia, il modello di Bohr rimane utile come strumento didattico per introdurre gli studenti a teorie più moderne - come la meccanica quantistica e il modello atomico della shell di valenza.
Dimostrerebbe anche di essere una pietra miliare nello sviluppo del Modello standard della fisica delle particelle, un modello caratterizzato da "nuvole di elettroni", particelle elementari e incertezza.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sulla teoria atomica qui su Space Magazine. Ecco il modello atomico di John Dalton, Qual è il modello di budino di prugne, Qual è il modello di nuvola di elettroni? Chi era Democrito? E quali sono le parti dell'atomo?
Astronomia Cast ha anche alcuni episodi sull'argomento: Episodio 138: Meccanica quantistica, Episodio 139: Livelli di energia e spettri, Episodio 378: Rutherford and Atoms ed Episodio 392: The Standard Model - Intro.
fonti:
- Niels Bohr (1913) "Sulla costituzione di atomi e molecole, parte I"
- Niels Bohr (1913) "Sulla costituzione di atomi e molecole, sistemi di parte II contenenti un solo nucleo"
- Enciclopedia Britannica: modello atomico di Borh
- Iperfisica - Modello di Bohr
- Università del Tennessee, Knoxville - Il modello Borh
- Università di Toronto - Il modello Bohr dell'atomo
- NASA - Imagine the Universe - Background: Atoms and Light Energy
- Informazioni sull'istruzione - Bohr Model of the Atom
