La scoperta delle particelle subatomiche - Modelli atomici di Thomson e di Rutherford
Nella seconda metà del 1800 alcuni scienziati, indagando la natura dei fenomeni elettrici, cominciarono a mettere in dubbio la validità dell'ipotesi di Dalton secondo cui l'atomo era indivisibile. Gli interrogativi sorgevano, in particolare, dall'osservazione che:
- certe sostanze si scioglievano in acqua formando soluzioni in grado di trasportare la corrente elettrica per la presenza di particelle cariche di elettricità positiva (+) e negativa (−) dette ioni;
- gas rarefatti all'interno di un tubo contenente due elettrodi (anodo e catodo) collegati a un generatore elettrico producevano, in seguito al passaggio di corrente elettrica, radiazioni dirette dal catodo all'anodo (raggi catodici).
Fu proprio studiando gli effetti delle scariche elettriche attraverso gas rarefatti in un tubo catodico che il fisico inglese J. J. Thomson (1856-1940) giunse a stabilire (1897) che i raggi catodici sono formati da particelle dotate di carica negativa presenti negli atomi di tutti gli elementi. Tali particelle subatomiche, di massa molto più piccola di qualsiasi atomo conosciuto, furono chiamate elettroni (e−). La carica dell'elettrone è considerata la carica elementare negativa e per convenzione le viene attribuito valore unitario −1.
Effettuando altre esperienze con un tubo a raggi catodici modificato (1886), erano stati scoperti raggi aventi direzione opposta a quella dei raggi catodici, in quanto associati a particelle dotate di carica positiva (raggi positivi, meglio noti come raggi anodici o raggi canale). La massa di queste particelle risultava variabile in rapporto al gas presente nel tubo e molto più grande della massa dell'elettrone (si trattava di ioni, cioè di atomi privi di cariche negative). Lo stesso Thomson studiò in seguito questo fenomeno e, insieme ad altri, osservò che la massa delle particelle positive costituenti i raggi anodici assumeva un valore minimo quando il gas utilizzato era l'idrogeno. In questo caso si formavano ioni idrogeno (H+) che, in anni seguenti, furono definitivamente identificati come particelle subatomiche, chiamate protoni, presenti negli atomi di tutti gli elementi. Il protone (p) è una particella dotata di carica elettrica unitaria positiva (+1), e con una massa pari a 1836 volte quella dell'elettrone, corrispondente, con buona approssimazione, a 1 unità di massa atomica (u).
Il modello atomico di Thomson
Nel 1904, Thomson, in base ai dati di cui disponeva avanzò l'ipotesi, detto modello atomico di Thomson, secondo cui l'atomo era rappresentabile come una massa sferica con cariche elettriche positive uniformemente distribuite e contenente immersi nel suo interno un ugual numero di elettroni, in modo che il tutto risultasse elettricamente neutro.
Il modello di Thomson si rivelò ben presto inadeguato a spiegare una serie di fenomeni fisici.
Il modello atomico di Rutherford
Un importante passo successivo nella comprensione della struttura dell'atomo fu compiuto dal fisico neozelandese E. Rutherford (1911), attraverso l'impiego di particelle alfa (α) emesse da un materiale radioattivo, per bombardare un bersaglio costituito da una sottilissima lamina d'oro. La maggior parte delle particelle α attraversava la lamina metallica in linea retta, mentre una loro piccolissima frazione veniva deviata o addirittura respinta dalla lamina. Rutherford ne dedusse che le particelle α potevano essere deviate o respinte solo ammettendo che gli atomi siano formati da una piccolissima zona centrale, detta nucleo, di carica positiva e nella quale è concentrata tutta la massa dell'atomo e da un grande spazio circostante dove sono presenti elettroni che ruotano intorno al nucleo secondo orbite circolari (modello di Rutherford o modello atomico planetario, 1911).
Rutherford valutò in seguito che la carica positiva del nucleo corrisponde al numero di protoni. Tale numero è detto numero atomico (simbolo Z) e in un atomo neutro corrisponde al numero degli elettroni.
Rutherford rilevò inoltre che la massa del nucleo calcolata sulla base del numero di protoni, risultava sempre inferiore alla massa reale dell'atomo. Era quindi ipotizzabile la presenza nel nucleo di un altro tipo di particelle.
Queste particelle, chiamate neutroni (n), furono poi individuate nel 1932 dal fisico inglese J. Chadwick: esse risultarono prive di carica e dotate di una massa circa uguale a quella del protone.
Riassumendo, un atomo è formato da un nucleo, costituito da protoni e neutroni (detti nucleoni), intorno al quale sono disposti elettroni (v. tab. 3.1).
In un atomo elettricamente neutro, il numero dei protoni, detto numero atomico (Z) è uguale al numero degli elettroni. Il numero atomico è caratteristico di ogni elemento. La somma del numero dei protoni e del numero dei neutroni (N) è detto numero di massa (A):
Esempio: 818O (o anche ossigeno −18) indica il nuclide dell'ossigeno con numero atomico 8 e numero di massa 18.
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