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LA STRUTTURA ELETTRONICA DELL'ATOMO

chimica


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LA STRUTTURA ELETTRONICA DELL'ATOMO

·       DALL'ATOMO DI RUTHERFORD ALL'ATOMO DI BOHR

Abbiamo visto come il modello atomico planetario di RUTHERFORD fosse inadeguato a descrivere la struttura dell'atomo, in particolare perchè non riusciva a spiegare la stabilita', in quanto l'elettrone, ruotando attorno al nucleo, avrebbe emesso  ENERGIA ELETTROMAGNETICA a scapito della sua ENERGIA CINETICA, fino a precipitare sul nucleo stesso, annullandosi. (1910)

Negli stessi anni il mondo scientifico cominciava appena ad assimilare alcune idee straordinarie che erano maturate nel trascorso decennio.



La PRIMA IDEA implicava che la luce, e, in generale, qualunque forma di energia elettromagnetica o radiante, non fosse un'entita' continua (ONDA ELETTROMAGNETICA), come si era sempre ritenuto, ma in analogia con la materia, possedesse una struttura discontinua, granulare: cioè andava pensata costituita come da una successione di quantita' minime non frazionabili a granuli energetici elementari detti QUANTI di energia (P. BLANK).

Percio' si puo' concludere che la luce è quantizzata, cioè costituita da un flusso di "particelle di energia" o "quanti di luce".

La SECONDA IDEA, diretta conseguenza della prima, fu che i QUANTI si potessero assimilare a CORPUSCOLI MATERIALI (in seguito chiamati FOTONI), ciascuno dotato di una quantita' elementare di energia: cio' riproponeva  la teoria corpuscolare della luce, che si opponeva alla teoria ondulatoria della luce.

Nel  1913 fu Bohr a sottolineare l'inadeguatezza del modello di Rutherford.

Se un atomo, nel passare da uno stadio energetico ad un altro , emette o assorbe  soltanto radiazioni di una determinata frequenza, significa che per quell'atomo sono possibili soltanto determinate variazioni di energia.

Cio' lo indusse a pensare che gli elettroni si muovono nello spazio soltanto in orbite circolari di ben definita energia (ORBITE CIRCOLARI O LIVELLI ENERGETICI), il che spiegherebbe gli scambi osservati.

Da qui al primo postulato che afferma che l'elettrone puo' percorrere attorno al nucleo alcune orbite circolari senza perdere energia.

I raggi di tali orbite soddisfano tutti la relazione

dove n è la massa dell'elettrone, V è la velocita' dell'elettrone, h è la costante di Blanck, che vale    6,626  10     j+s, n è un numero intero che puo' assumere tutti i valori da 1 all'infinito(  ), a cui diede il nome di NUMERO QUANTICO PRINCIPALE.

Il modello atomico di Bohr, pur mantenendo la struttura planetaria gia' suggerita da Rutherford, impone che l'elettrone non possa girare ad una distanza qualsiasi dal nucleo.

Le orbite possibili, le quantita' di energia che un elettrone può possedere, sono ben definite. Il  secondo postulato afferma che l'energia assorbita da un elettrone ne consente la transizione dall'orbita in cui si trova normalmente, detta ORBITA FONDAMENTALE, ad una delle orbite di energia quantizzata maggiore. In queste orbite, dove l'elettrone si trova in uno stato detto "eccitato", esso rimane per una frazione di tempo brevissima (10   secondi), per poi tornare allo stato energetico FONDAMENTALE.

Per ricapitolare,nell'atomo di Bohr l'elettrone non può stare ad una distanza qualsiasi dal nucleo, solo alcune orbite sono stabili e, fino a quando l'elettrone si mantiene su di esse,non perde energia. Ma se l'elettrone salta ad un livello energetico superiore , l'elettrone assorbe energia dall'esterno; se passa ad un livello energetico inferiore emette energia sottoforma di un fotone. Le variazioni di energia restano ben determinate e sono pari alla differenza di energia tra i vari livelli. L'elettrone assorbe sempre una quantità di energia "QUANTIZZATA".

L'emissione di energia da parte dell'elettrone determina le radiazioni che formano lo spettro di emissione dei vari elementi della tavola. Un atomo con elettroni non eccitati si dice "allo stato fondamentale"; un atomo con elettroni che occupino un livello energetico superiore a quello normale si dice "allo stato eccitato".

LIVELLI ENERGETICI DELL'ELETTRONE:

    

·       LA QUANTIZZAZIONE DEGLI ATOMI: A. SOMMERFIELD

Il modello di Bohr presentava molte semplificazioni:

1) l'elettrone era di massa trascurabile rispetto al nucleo

2) la velocità dell'elettrone era molto più bassa di quella della luce per evitare complicazioni relativistiche

3) le orbite erano circolari

4) si consideravano atomi con un solo elettrone (idrogeno) per non dover tener conto delle repulsioni elettrone-elettrone.




Il modello di Bohr, rivoluzionario perchè introduceva la quantizzazione delle energie elettroniche dell'atomo, non incontrò l'approvazione generale dei contemporanei, in quanto non spiegava perchè un elettrone, muovendosi in un'orbita stazionaria, non dovesse perdere energia. Per spiegare e in parte superare i limiti del modello di Bohr , Sommerfield propose un nuovo modello atomico: l'atomo di Sommerfield è simile a quello di Bohr,ma presenta anche ORBITE ELLITTICHE con differenti orientazioni. Ogni tipo di orbita era determinato da un ben preciso valore di energia, che poteva essere rappresentato con l'introduzione di 2 nuovi numeri quantici: uno collegato alla nuova forma dell'orbita ( detto NUMERO QUANTICO SECONDARIO), e uno alla sua orientazione ( NUMERO QUANTICO MAGNETICO, m) ; successivamente altri problemi imposero l'introduzione dovuta a Paoli di un ulteriore numero quantico, collegato alla rotazione dell'elettrone su se stesso, o SPIN ELETTRONICO ( NUMERO QUANTICO DI SPIN, m  ).

Questo modello, adottato con successo fin dal 1925, presentava tuttavia alcuni punti oscuri, e non era stato in grado di descrivere in modo esauriente la situazione elettronica di atomi con più di un elettrone . La meccanica classica risultava inadeguata a spiegare i fenomeni inerenti ai sistemi microscopici ( atomi e molecole) soggetti alle regole di un mondo quantistico. Fu pertanto necessario ricorrere ad una meccanica atomica. 

·       PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBER

Il principio afferma che è possibile determinare contemporaneamente con assoluta precisione la quantità di moto (p) e la posizione (x) di un elettrone; più semplicemente la posizione e la velocità di un elettrone.

·       DALLE ORBITE AGLI ORBITALI

Mentre il modello atomico di Bohr considerava che gli elettroni si muovessero intorno al nucleo secondo orbite circolari, il modello di Schodinger Heisenber, che partiva dai principi di meccanica ondulatoria, abbandonando completamente l'uso della meccanica classica, definisce ORBITALE la regione dello spazio intorno al nucleo, in cui la densità di probabilità di trovare l'elettrone è massima, maggiore del 95%.

Secondo il modello quantico-meccanico, l'elettrone non viene quindi descritto come se si muovesse su un'orbita precisa, come era nell'interpretazione di Bohr, si dice invece che l'elettrone occupa uno spazio tridimensionale attorno al nucleo, detto ORBITALE.

In termini matematici l'orbitale è una "FUNZIONE D'ONDA" , ( l'equazione d'onda di Schrodinger) , in cui sono stati introdotti i valori numerici di un insieme di 3 numeri quantici n, l, m, oltre al numero quantico di spin, m  ,che mantengono lo stesso significato di grandezze "quantizzanti" allora attribuito nell'ambito della teoria di Bohr, con qualche successivo perfezionamento: in questo caso i numeri quantici sono concepiti in termini ondulatori, l'orbitale, quindi, rappresenta l'espressione matematica che descrive lo stato energetico della nube elettronica.

Per estensione si designa come orbitale anche la corrispondente figura spaziale che può assumere forma e dimensioni diverse, che racchiude entro una superficie limitante innumerevoli punti dove vi è la massima probabilità di trovare l'elettrone nel suo movimento intorno al nucleo. Contrariamente al modello di Bohr, le equazioni della meccanica ondulatoria possono essere applicate ad atomi di qualsiasi complessità; esse spiegano prechè esistono livelli d'energia definita e danno anche informazioni sul numero e sulla natura di questi livelli di energia in qualunque atomo della tavola.







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