Gli atomi sono le unità di base della materia e la struttura che definisce gli elementi. Il termine "atomo" deriva dalla parola greca per indivisibile, perché una volta si pensava che gli atomi fossero le cose più piccole nell'universo e non potessero essere divisi. Ora sappiamo che gli atomi sono composti da tre particelle: protoni, neutroni ed elettroni - che sono composti da particelle ancora più piccole, come i quark.
Gli atomi sono stati creati dopo il Big Bang 13,7 miliardi di anni fa. Man mano che il nuovo universo caldo e denso si raffreddava, le condizioni diventarono adatte a formare quark ed elettroni. I quark si unirono per formare protoni e neutroni e queste particelle si unirono in nuclei. Tutto ciò avvenne nei primi minuti dell'esistenza dell'universo, secondo il CERN.
Ci sono voluti 380.000 anni perché l'universo si raffreddasse abbastanza da rallentare gli elettroni in modo che i nuclei potessero catturarli per formare i primi atomi. I primi atomi erano principalmente idrogeno ed elio, che sono ancora gli elementi più abbondanti nell'universo, secondo Jefferson Lab. La gravità alla fine fece fondere le nuvole di gas e formare le stelle, e gli atomi più pesanti furono (e sono ancora) creati all'interno delle stelle e inviati in tutto l'universo quando la stella esplose (supernova).
Particelle atomiche
Protoni e neutroni sono più pesanti degli elettroni e risiedono nel nucleo al centro dell'atomo. Gli elettroni sono estremamente leggeri ed esistono in una nuvola in orbita attorno al nucleo. La nuvola di elettroni ha un raggio 10.000 volte maggiore del nucleo, secondo il laboratorio nazionale Los Alamos.
Protoni e neutroni hanno approssimativamente la stessa massa. Tuttavia, un protone è circa 1.835 volte più massiccio di un elettrone. Gli atomi hanno sempre un numero uguale di protoni ed elettroni e anche il numero di protoni e neutroni è lo stesso. L'aggiunta di un protone a un atomo crea un nuovo elemento, mentre l'aggiunta di un neutrone produce un isotopo, o versione più pesante, di quell'atomo.
Nucleo
Il nucleo fu scoperto nel 1911 da Ernest Rutherford, un fisico della Nuova Zelanda. Nel 1920, Rutherford propose il nome protone per le particelle caricate positivamente dell'atomo. Ha anche teorizzato che c'era una particella neutra all'interno del nucleo, che James Chadwick, un fisico britannico e studente di Rutherford, fu in grado di confermare nel 1932.
Praticamente tutta la massa di un atomo risiede nel suo nucleo, secondo Chemistry LibreTexts. I protoni e i neutroni che compongono il nucleo hanno approssimativamente la stessa massa (il protone è leggermente inferiore) e hanno lo stesso momento angolare o rotazione.
Il nucleo è tenuto insieme dalla forza forte, una delle quattro forze di base in natura. Questa forza tra i protoni e i neutroni supera la forza repulsiva elettrica che altrimenti allontanerebbe i protoni, secondo le regole dell'elettricità. Alcuni nuclei atomici sono instabili perché la forza di legame varia per diversi atomi in base alla dimensione del nucleo. Questi atomi quindi decadranno in altri elementi, come il carbonio-14 che decade in azoto-14.
Protoni
I protoni sono particelle cariche positivamente trovate all'interno dei nuclei atomici. Rutherford li ha scoperti in esperimenti con tubi a raggi catodici condotti tra il 1911 e il 1919. I protoni hanno circa il 99,86% di massa dei neutroni.
Il numero di protoni in un atomo è unico per ogni elemento. Ad esempio, gli atomi di carbonio hanno sei protoni, gli atomi di idrogeno ne hanno uno e gli atomi di ossigeno ne hanno otto. Il numero di protoni in un atomo è indicato come il numero atomico di quell'elemento. Il numero di protoni determina anche il comportamento chimico dell'elemento. Gli elementi sono disposti nella tavola periodica degli elementi in ordine crescente di numero atomico.
Tre quark compongono ciascun protone - due quark "up" (ciascuno con una carica positiva di due terzi) e un quark "down" (con una carica negativa di un terzo) - e sono tenuti insieme da altre particelle subatomiche chiamate gluoni, che sono senza massa.
Elettroni
Gli elettroni sono minuscoli rispetto ai protoni e ai neutroni, oltre 1.800 volte più piccoli di un protone o di un neutrone. Gli elettroni hanno circa lo 0,054% di massa dei neutroni, secondo Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, un fisico britannico, scoprì l'elettrone nel 1897, secondo lo Science History Institute. Originariamente noti come "corpuscoli", gli elettroni hanno una carica negativa e sono attratti elettricamente dai protoni caricati positivamente. Gli elettroni circondano il nucleo atomico in percorsi chiamati orbitali, un'idea che fu proposta da Erwin Schrödinger, un fisico austriaco, negli anni '20. Oggi, questo modello è noto come modello quantico o modello di nuvola di elettroni. Gli orbitali interni che circondano l'atomo sono sferici ma gli orbitali esterni sono molto più complicati.
La configurazione elettronica di un atomo si riferisce alle posizioni degli elettroni in un atomo tipico. Usando la configurazione elettronica e i principi della fisica, i chimici possono predire le proprietà di un atomo, come stabilità, punto di ebollizione e conduttività, secondo il Los Alamos National Laboratory.
Neutroni
L'esistenza del neutrone fu teorizzata da Rutherford nel 1920 e scoperta da Chadwick nel 1932, secondo l'American Physical Society. I neutroni sono stati trovati durante gli esperimenti quando gli atomi sono stati sparati su un sottile foglio di berillio. Sono state rilasciate particelle subatomiche senza carica: il neutrone.
I neutroni sono particelle non caricate presenti in tutti i nuclei atomici (tranne l'idrogeno). La massa di un neutrone è leggermente più grande di quella di un protone. Come i protoni, anche i neutroni sono fatti di quark: un quark "up" (con una carica positiva di 2/3) e due quark "down" (ciascuno con una carica di un terzo negativa).
Storia dell'atomo
La teoria dell'atomo risale almeno al 440 a.C. a Democrito, scienziato e filosofo greco. Molto probabilmente Democrito costruì la sua teoria degli atomi sul lavoro dei filosofi del passato, secondo Andrew G. Van Melsen, autore di "Da Atomos ad Atom: la storia del concetto Atom" (Duquesne University Press, 1952).
La spiegazione di Democrito sull'atomo inizia con una pietra. Una pietra tagliata a metà dà due metà della stessa pietra. Se la pietra dovesse essere tagliata continuamente, ad un certo punto esisterebbe un pezzo di pietra abbastanza piccolo da non poter più essere tagliato. Il termine "atomo" deriva dalla parola greca per indivisibile, che Democrito ha concluso deve essere il punto in cui un essere (qualsiasi forma di materia) non può più essere diviso.
La sua spiegazione includeva l'idea che gli atomi esistano separatamente l'uno dall'altro, che ci siano una quantità infinita di atomi, che gli atomi sono in grado di muoversi, che possono combinarsi insieme per creare materia ma non si fondono per diventare un nuovo atomo, e che essi non può essere diviso, secondo Universe Today. Tuttavia, poiché la maggior parte dei filosofi dell'epoca - in particolare l'influente Aristotele - credeva che tutta la materia fosse creata da terra, aria, fuoco e acqua, la teoria atomica di Democrito fu messa da parte.
John Dalton, un chimico britannico, si basò sulle idee di Democrito nel 1803 quando mise in atto la sua teoria atomica, secondo il dipartimento di chimica della Purdue University. La teoria di Dalton includeva diverse idee di Democrito, come gli atomi sono indivisibili e indistruttibili e che diversi atomi si formano insieme per creare tutta la materia. Le aggiunte di Dalton alla teoria includevano le seguenti idee: Che tutti gli atomi di un certo elemento fossero identici, che gli atomi di un elemento avessero pesi e proprietà diversi rispetto agli atomi di un altro elemento, che gli atomi non possano essere creati o distrutti e che la materia sia formata da atomi che si combinano in semplici numeri interi.
Thomson, il fisico britannico che ha scoperto l'elettrone nel 1897, ha dimostrato che gli atomi possono essere divisi, secondo la Chemical Heritage Foundation. Era in grado di determinare l'esistenza di elettroni studiando le proprietà delle scariche elettriche nei tubi a raggi catodici. Secondo il documento di Thomson del 1897, i raggi venivano deviati all'interno del tubo, il che dimostrava che c'era qualcosa che veniva caricato negativamente all'interno del tubo del vuoto. Nel 1899 Thomson pubblicò una descrizione della sua versione dell'atomo, comunemente noto come "modello di budino di prugne". Un estratto di questo documento è disponibile sul sito del Team Chem. Il modello di Thomson dell'atomo includeva un gran numero di elettroni sospesi in qualcosa che produceva una carica positiva che conferiva all'atomo una carica complessivamente neutra. Il suo modello somigliava a un budino di prugne, un popolare dessert britannico che aveva l'uvetta sospesa in una palla rotonda a forma di torta.
Il prossimo scienziato a modificare ulteriormente e far avanzare il modello atomico fu Rutherford, che studiò sotto Thomson, secondo il dipartimento di chimica della Purdue University. Nel 1911, Rutherford pubblicò la sua versione dell'atomo, che includeva un nucleo carico positivamente orbita da elettroni. Questo modello nacque quando Rutherford e i suoi assistenti spararono particelle alfa contro sottili fogli d'oro. Una particella alfa è formata da due protoni e due neutroni, tutti tenuti insieme dalla stessa forte forza nucleare che lega il nucleo, secondo il Jefferson Lab.
Gli scienziati hanno notato che una piccola percentuale delle particelle alfa erano sparse ad angoli molto grandi rispetto alla direzione originale del movimento, mentre la maggioranza passava attraverso quasi senza essere disturbata. Rutherford fu in grado di approssimare la dimensione del nucleo dell'atomo d'oro, trovandolo almeno 10.000 volte più piccolo della dimensione dell'intero atomo con gran parte dell'atomo che era spazio vuoto. Il modello dell'atomo di Rutherford è ancora il modello base utilizzato oggi.
Diversi altri scienziati hanno promosso il modello atomico, tra cui Niels Bohr (costruito sul modello di Rutherford per includere le proprietà degli elettroni basati sullo spettro dell'idrogeno), Erwin Schrödinger (sviluppato il modello quantico dell'atomo), Werner Heisenberg (ha affermato che non si possono conoscere entrambi i posizione e velocità di un elettrone contemporaneamente) e Murray Gell-Mann e George Zweig (svilupparono indipendentemente la teoria secondo cui protoni e neutroni erano composti da quark).
