L’atomo (cosa è…come è fatto…)

Buongiorno amici,
oggi ho pensato che volevate iniziare la nuova settimana, imparando qualcosina in più di fisica, in particolare degli atomi.
Per questo motivo vi posto un articolo che parecchi anni fa ho utilizzato per la mia tesi di laurea.
Andiamo subito allora a conoscere gli atomi e vedere cosa sono queste entità  di cui noi stessi e l’universo intero siamo costituiti.

 GLI ATOMI.  La materia è composta da atomi, costituiti da un nucleo centrale, in cui sono presenti protoni e neutroni (nucleoni) tenuti insieme da una forza di coesione nucleare (la forza forte) più intensa di quella elettrica, e da elettroni, in eguale numero dei protoni, che orbitano intorno al nucleo e sono mantenuti dalla forza elettrostatica, legata alla loro carica elettrica di segno opposto (negativa) a quella dei protoni positiva.La materia è composta da atomi, costituiti da un nucleo centrale, in cui sono presenti protoni e neutroni (nucleoni) tenuti insieme da una forza di coesione nucleare (la forza forte) più intensa di quella elettrica, e da elettroni, in eguale numero dei protoni, che orbitano intorno al nucleo e sono mantenuti dalla forza elettrostatica, legata alla loro carica elettrica di segno opposto (negativa) a quella dei protoni positiva.

atomo

Il fatto che in condizioni normali un atomo abbia lo stesso numero di elettroni e protoni, lo rende un entità elettricamente neutra.

I nucleoni costituenti il nucleo degli atomi sono a loro volta composti da particelle dette quark, ciascun nucleone ne contiene in numero di 3 con caratteristiche che determineranno la carica o la neutralità del nucleone stesso.

I quark insieme ai leptoni (come ad esempio l’elettrone) costituiscono le particelle elementari ed indivisibili della materia.

Il nucleo occupa una parte infinitesima dell’intero volume dell’atomo e, nonostante ciò, i nucleoni che lo compongono, avendo una massa di circa 2000 volte quello degli elettroni, costituiscono quasi l’intera massa dell’atomo.

Un elemento è una specie chimica con un numero definito di protoni ed elettroni, gli atomi di idrogeno ne hanno uno solo, quelli di elio due, e così via.

Come già detto, in condizioni normali un atomo possiede un numero pari di elettroni e protoni, il numero dei protoni è detto “numero atomico” ed è indicato con il simbolo Z. I neutroni, il cui numero si indica con la lettera N, si limitano ad aggiungere peso e svolgono un ruolo chiave nella struttura del nucleo, ma non incidono sulle proprietà della nube elettronica esterna.

Il numero dei nucleoni, ossia la somma dei protoni e dei neutroni costituenti il nucleo, si indica comunemente con la lettera A (A=Z+N) ed è detto “numero di massa”.

Due atomi con lo stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni si dicono isotopi e possono essere stabili o instabili. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero di protoni e di elettroni e pertanto sono indistinguibili l’uno dall’altro per le sole proprietà chimiche (determinate esclusivamente dalla struttura elettronica dell’atomo). Per distinguerli bisogna ricorrere a metodi fisici di indagine in cui entra in gioco la diversa massa dei nuclei. E’ ciò che avviene nei cosiddetti spettrometri di massa. In natura un nucleo non può contenere un numero qualsivoglia di neutroni. Troppi neutroni o troppo pochi rendono il nucleo instabile – Dopo il Ca (N=Z=20) al crescere di Z il numero dei neutroni, maggiore di quello dei protoni, cresce per raggiungere valori massimi di N/Z ≈ 1,5 per i nuclidi pesanti, quali l’uranio.

La stabilità del nucleo è misurata dall’energia di legame nucleare correlata alle forze nucleari, interagenti fra protoni e neutroni.

L’energia di legame si misura in elettronvolt (eV), essa varia con il numero di massa del nucleo, ed il suo valore medio, eccezion fatta per i nuclei più leggeri (A<20) e per i più pesanti (A>160), è compreso fra 8 e 9 megaelettronvolt (MeV), laddove l’energia di legame di natura elettrostatica fra l’elettrone ed il nucleo di un atomo o fra gli atomi di una molecola, è soltanto dell’ordine di pochi eV .

Da ciò la diversità fra le energie in gioco nelle reazioni chimiche ed in quelle nucleari.

Se infatti intervenendo sull’atomo, si riesce a passare da un nucleo con energia di legame inferiore ad uno con energia di legame superiore, si avrà dal processo un guadagno netto di energia. Su ciò si basano i processi nucleari della fissione dei nuclei pesanti, quali l’uranio e

della fusione dei nuclei leggeri quali l’idrogeno e i suoi isotopi, da cui possono scaturire enormi quantità di energia.

Quando l’energia di legame è esattamente quella che occorre per tenere ben legate tra di loro le particelle costituenti il nucleo, allora si dirà che questo è stabile; Se essa è sovrabbondante o insufficiente, il nucleo sarà instabile o radioattivo.

Per tale instabilità il nucleo tende ad un assetto stabile emettendo radiazioni elettromagnetiche o corpuscolari, se la sua energia di legame è sovrabbondante, assorbendole se è insufficiente. Tale processo di disintegrazione si chiama “decadimento radioattivo” e le radiazioni emesse costituiscono la radioattività. Oggi si conoscono circa trecento isotopi stabili ed un numero dieci volte più elevato di isotopi instabili.

di: Ernesto G. Ammerata

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