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Quanti atomi diversi ci sono

Atom

La più piccola unità di un elemento chimico

Per altri usi, vedi Atom (disambigua).

Gli atomi sono le particelle di base degli elementi chimici. Un atomo è costituito da un nucleo di protoni e generalmente neutroni, circondato da uno sciame di elettroni legato elettromagneticamente. Gli elementi chimici si distinguono l'uno dall'altro per il numero di protoni che si trovano nei loro atomi. Ad esempio, qualsiasi atomo che contiene 11 protoni è sodio e qualsiasi atomo che contiene 29 protoni è rame. Gli atomi con lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni sono chiamati isotopi dello stesso elemento.

Gli atomi sono estremamente piccoli, in genere circa 100 picometri di diametro. Un capello umano è largo circa un milione di atomi di carbonio. Gli atomi sono più piccoli della lunghezza d'onda più corta della luce visibile, il che significa che gli esseri umani non possono vedere gli atomi con i microscopi convenzionali. Sono così piccoli che Prevedere con precisione il loro comportamento utilizzando la fisica classica non è possibile a causa degli effetti quantistici.

Più del 99,9994% [1] della massa di un atomo si trova nel nucleo. I protoni hanno una carica elettrica positiva e i neutroni non hanno carica, quindi il nucleo è caricato positivamente. Gli elettroni sono caricati negativamente e questa carica opposta è ciò che li lega al nucleo. Se il numero di protoni ed elettroni è uguale, come lo sono normalmente, allora l'atomo è elettricamente neutro nel suo insieme. Se un atomo ha più elettroni che protoni, allora ha una carica negativa complessiva ed è chiamato ione negativo (o anione). Al contrario, se ha più protoni che elettroni, ha una carica positiva ed è chiamato ione (o catione) positivo.

Gli elettroni di un atomo sono attratti dai protoni in un nucleo atomico dalla forza elettromagnetica. I protoni e i neutroni nel nucleo sono attratti l'uno verso l'altro dal forza nucleare. Questa forza è solitamente più forte della forza elettromagnetica che respinge i protoni caricati positivamente l'uno dall'altro. In determinate circostanze, la forza elettromagnetica repulsiva diventa più forte della forza nucleare. In questo caso, il nucleo si divide e lascia dietro di sé diversi elementi. Questa è una forma di decadimento nucleare.

Gli atomi possono legarsi a uno o più altri atomi mediante legami chimici per formare composti chimici come molecole o cristalli. La capacità degli atomi di attaccarsi e staccarsi l'uno dall'altro è responsabile della maggior parte dei cambiamenti fisici osservati in natura. La chimica è la scienza che studia questi cambiamenti.

Articolo

principale: Storia della teoria atomica

In filosofia

Articolo principale: Atomismo

L'idea di base che la materia sia composta da minuscole particelle indivisibili è un'idea antica che è apparsa in molte culture antiche. Le La parola atomo deriva dall'antica parola greca atomos , [a] che significa "non tagliabile". Ma questa antica idea si basava sul ragionamento filosofico piuttosto che sul ragionamento scientifico. La moderna teoria atomica non si basa su questi vecchi concetti. [2] [3] All'inizio del XIX secolo, lo scienziato John Dalton trovò la prova che la materia è davvero composta da unità discrete, e così applicò la parola atomo a quelle unità. [4]

All'inizio del

1800, John Dalton compilò i dati sperimentali raccolti da lui e da altri scienziati e scoprì un modello ora noto come "legge delle proporzioni multiple". Ha notato che in qualsiasi gruppo di composti chimici che contengono tutti due particolari elementi chimici, la quantità di Elemento A per misura di Elemento B differirà tra questi composti da rapporti di piccoli numeri interi. Questo modello suggeriva che ogni elemento si combina con altri elementi in multipli di un'unità di peso di base, con ogni elemento avente un'unità di peso unico. Dalton decise di chiamare queste unità "atomi". [5]

Ad esempio, ci sono due tipi di ossido di stagno: uno è una polvere grigia composta per l'88,1% da stagno e per l'11,9% da ossigeno, e l'altro è una polvere bianca composta per il 78,7% da stagno e per il 21,3% da ossigeno. Aggiustando queste cifre, nella polvere grigia ci sono circa 13,5 g di ossigeno per ogni 100 g di stagno, e nella polvere bianca ci sono circa 27 g di ossigeno per ogni 100 g di stagno. 13,5 e 27 formano un rapporto di 1:2. Dalton concluse che nell'ossido grigio c'è un atomo di ossigeno per ogni atomo di stagno, e nell'ossido bianco ci sono due atomi di ossigeno per ogni atomo di stagno (SnO e SnO 2 ). [6] [7]

Dalton analizzati anche ossidi di ferro. Esiste un tipo di ossido di ferro che è una polvere nera composta per il 78,1% da ferro e per il 21,9% da ossigeno; E c'è un altro ossido di ferro che è una polvere rossa che contiene il 70,4% di ferro e il 29,6% di ossigeno. Aggiustando queste cifre, nella polvere nera ci sono circa 28 g di ossigeno per ogni 100 g di ferro, e nella polvere rossa ci sono circa 42 g di ossigeno per ogni 100 g di ferro. 28 e 42 formano un rapporto di 2:3. Dalton concluse che in questi ossidi, per ogni due atomi di ferro, ci sono rispettivamente due o tre atomi di ossigeno (Fe 2 O 2 e Fe 2 O 3 ). [b] [8] [9]

Come ultimo esempio: il protossido di azoto è composto per il 63,3% da azoto e per il 36,7% da ossigeno, l'ossido nitrico per il 44,05% da azoto e per il 55,95% da ossigeno, e il biossido di azoto per il 29,5% da azoto e per il 70,5% da ossigeno. Aggiustando queste cifre, nel protossido di azoto c'è 80 g di ossigeno per ogni 140 g di azoto, nell'ossido nitrico ci sono circa 160 g di ossigeno per ogni 140 g di azoto, e nel biossido di azoto ci sono 320 g di ossigeno per ogni 140 g di azoto. 80, 160 e 320 formano un rapporto di 1:2:4. Le rispettive formule per questi ossidi sono N 2 O, NO e NO 2 . [10] [11]

Scoperta dell'elettrone

Nel 1897, J. J. Thomson scoprì che i raggi catodici possono essere deviati da campi elettrici e magnetici, il che significava che i raggi catodici non sono una forma di luce ma fatti di particelle elettricamente cariche, e la loro carica era negativa data la direzione in cui le particelle venivano deviate. [12] Ha misurato che queste particelle sono almeno mille volte più leggere dell'idrogeno (l'atomo più leggero). [13] Chiamò queste nuove particelle corpuscoli Ma in seguito sono stati rinominati elettroni poiché queste sono le particelle che trasportano l'elettricità. [14] Thomson dimostrò anche che gli elettroni erano identici alle particelle emesse dai materiali fotoelettrici e radioattivi. [15] Thomson spiegò che una corrente elettrica è il passaggio di elettroni da un atomo all'altro, e quando non c'era corrente gli elettroni si incorporavano negli atomi. Questo a sua volta significava che gli atomi non erano indivisibili come pensavano gli scienziati. L'atomo era composto da elettroni la cui carica negativa era bilanciata da una fonte di carica positiva per creare un atomo elettricamente neutro. Gli ioni, ha spiegato Thomson, devono essere atomi che hanno un eccesso o una carenza di elettroni. [16]

Articolo

principale: Esperimenti di

scattering di Rutherford

Gli elettroni nell'atomo dovevano logicamente Thomson non aveva idea da dove provenisse questa carica positiva, così propose provvisoriamente che fosse ovunque nell'atomo, essendo l'atomo a forma di sfera. Questa era l'ipotesi matematicamente più semplice per adattarsi alle prove disponibili, o alla loro mancanza. A seguito di ciò, Thomson immaginò che l'equilibrio delle forze elettrostatiche avrebbe distribuito gli elettroni in tutta la sfera in modo più o meno uniforme. [17] Il modello di Thomson è popolarmente noto come il modello del budino di prugne, anche se né Thomson né i suoi colleghi hanno usato questa analogia. [18] Il modello di Thomson era incompleto, non era in grado di prevedere altre proprietà degli elementi come gli spettri di emissione e le valenze. Fu presto reso obsoleto dalla scoperta del nucleo atomico.

Tra il 1908 e il 1913, Ernest Rutherford e i suoi colleghi Hans Geiger e Ernest Marsden eseguì una serie di esperimenti in cui bombardarono sottili lamine di metallo con un fascio di particelle alfa. Lo hanno fatto per misurare i modelli di dispersione delle particelle alfa. Hanno individuato un piccolo numero di particelle alfa che vengono deviate da angoli superiori a 90°. Questo non sarebbe stato possibile secondo il modello di Thomson dell'atomo, le cui cariche erano troppo diffuse per produrre un campo elettrico sufficientemente forte. Le deviazioni avrebbero dovuto essere tutte trascurabili. Rutherford propose che la carica positiva dell'atomo fosse concentrata in un piccolo volume al centro dell'atomo e che gli elettroni circondassero questo nucleo in una nube diffusa. Questo nucleo trasportava quasi tutta la massa dell'atomo, essendo gli elettroni molto leggeri. Solo una concentrazione di carica così intensa, ancorata alla sua elevata massa, poteva produrre un campo elettrico in grado di deviare le particelle alfa così fortemente. [19]

Un

problema della meccanica classica è che una particella carica in accelerazione irradia radiazione elettromagnetica, causando la perdita di energia cinetica della particella. Il movimento circolare conta come accelerazione, il che significa che un elettrone in orbita attorno a una carica centrale dovrebbe scendere a spirale in quel nucleo mentre perde velocità. Nel 1913, il fisico Niels Bohr propose un nuovo modello in cui si presumeva che gli elettroni di un atomo orbitassero attorno al nucleo, ma potevano farlo solo in un insieme finito di orbite, e potevano saltare tra queste orbite solo in discreti cambiamenti di energia corrispondenti all'assorbimento o alla radiazione di un fotone. [20] Questa quantizzazione è stata utilizzata per spiegare perché le orbite degli elettroni sono stabili e perché gli elementi assorbono ed emettono radiazioni elettromagnetiche in spettri discreti. [21] Il modello di Bohr poteva solo prevedere gli spettri di emissione di idrogeno, non atomi con più di un elettrone.

Articoli

principali: Nucleo atomico e Scoperta del neutrone

Nel 1815, William Prout osservò che i pesi atomici di molti elementi erano multipli del peso atomico dell'idrogeno, il che è in effetti vero per tutti se si prendono in considerazione gli isotopi. Nel 1898, J. J. Thomson scoprì che la carica positiva di uno ione idrogeno è uguale alla carica negativa di un elettrone, e queste erano allora le più piccole particelle cariche conosciute. [22] Thomson in seguito scoprì che la carica positiva in un atomo è un multiplo positivo della carica negativa di un elettrone. [23] Nel 1913, Henry Moseley scoprì che le frequenze delle emissioni di raggi X da un atomo eccitato erano una funzione matematica del suo numero atomico e della carica nucleare dell'idrogeno. Nel 1919 Rutherford bombardò l'azoto gassoso con alfa e ha rilevato gli ioni idrogeno emessi dal gas e ha concluso che sono stati prodotti da particelle alfa che colpiscono e scindono i nuclei degli atomi di azoto. [24]

Queste osservazioni portarono Rutherford a concludere che il nucleo di idrogeno è una particella singolare con una carica positiva uguale alla carica negativa dell'elettrone. [25] Chiamò questa particella "protone" nel 1920. [26] Il numero di protoni in un atomo (che Rutherford chiamò il "numero atomico" [27] [28] ) fu trovato uguale al numero ordinale dell'elemento sulla tavola periodica e quindi forniva un modo semplice e chiaro di distinguere gli elementi l'uno dall'altro. Il peso atomico di ogni elemento è superiore al suo numero di protoni, quindi Rutherford ipotizzò che il peso in eccesso fosse trasportato da particelle sconosciute senza carica elettrica e un massa uguale a quella del protone.

Nel 1928, Walter Bothe osservò che il berillio emetteva una radiazione altamente penetrante ed elettricamente neutra quando veniva bombardato con particelle alfa. In seguito si scoprì che questa radiazione poteva far cadere gli atomi di idrogeno dalla cera di paraffina. Inizialmente si pensava che si trattasse di radiazione gamma ad alta energia, poiché la radiazione gamma aveva un effetto simile sugli elettroni nei metalli, ma James Chadwick scoprì che l'effetto di ionizzazione era troppo forte per essere dovuto alla radiazione elettromagnetica, purché l'energia e la quantità di moto fossero conservate nell'interazione. Nel 1932, Chadwick espose vari elementi, come l'idrogeno e l'azoto, alla misteriosa "radiazione del berillio", e misurando le energie delle particelle cariche che rinculavano, dedusse che la radiazione era in realtà composta da particelle elettricamente neutre che non potevano essere prive di massa come i raggi gamma, ma che invece dovevano avere una massa simile a quello di un protone. Chadwick ora rivendicò che queste particelle erano neutroni di Rutherford. [29]

Nel

1925, Werner Heisenberg pubblicò la prima formulazione matematica coerente della meccanica quantistica (meccanica delle matrici). [30] Un anno prima, Louis de Broglie aveva proposto che tutte le particelle si comportassero come onde in una certa misura, [31] e nel 1926 Erwin Schroedinger utilizzò questa idea per sviluppare l'equazione di Schroedinger, che descrive gli elettroni come forme d'onda tridimensionali piuttosto che punti nello spazio. [32] Una conseguenza dell'uso delle forme d'onda per descrivere le particelle è che è matematicamente impossibile ottenere valori precisi sia per la posizione che per la quantità di moto di una particella in un dato momento. Questo divenne noto come principio di indeterminazione, formulato da Werner Heisenberg nel 1927. [30] In questo concetto, per una data precisione nella misurazione di una posizione si potrebbe ottenere solo un intervallo di valori probabili per la quantità di moto, e viceversa. [33] Così, il modello planetario dell'atomo è stato scartato a favore di uno che descriveva le zone orbitali atomiche attorno al nucleo dove è più probabile che si trovi un dato elettrone. [34] [35] Questo modello è stato in grado di spiegare osservazioni del comportamento atomico che i modelli precedenti non potevano spiegare, come alcuni modelli strutturali e spettrali di atomi più grandi dell'idrogeno.

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principale: Particella

subatomica

Sebbene la parola atomo originariamente denotasse una particella che non può essere tagliata in particelle più piccole, nell'uso scientifico moderno l'atomo è composto da varie particelle subatomiche. Le particelle costituenti di un atomo sono l'elettrone, il protone e neutrone.

L'elettrone è la meno massiccia di queste particelle di quattro ordini di grandezza a 9,11×10 −31 kg, con una carica elettrica negativa e una dimensione troppo piccola per essere misurata con le tecniche disponibili. [36] Era la particella più leggera con una massa a riposo positiva misurata, fino alla scoperta della massa del neutrino. In condizioni ordinarie, gli elettroni sono legati al nucleo caricato positivamente dall'attrazione creata da cariche elettriche opposte. Se un atomo ha più o meno elettroni del suo numero atomico, allora diventa rispettivamente caricato negativamente o positivamente nel suo insieme; Un atomo carico è chiamato ione. Gli elettroni sono noti dalla fine del 19° secolo, soprattutto grazie a J.J. Thomson; Vedi Storia della fisica subatomica per i dettagli.

I protoni hanno una carica positiva e una massa di 1,6726×10 −27 kg. Il numero di protoni in un atomo è chiamato il suo numero atomico. Ernest Rutherford (1919) osservò che l'azoto sotto bombardamento di particelle alfa espelle quelli che sembravano essere nuclei di idrogeno. Nel 1920 accettò che il nucleo dell'idrogeno fosse una particella distinta all'interno dell'atomo e lo chiamò protone.

I neutroni non hanno carica elettrica e hanno una massa di 1,6749×10 −27 kg. [37] [38] I neutroni sono le più pesanti delle tre particelle costituenti, ma la loro massa può essere ridotta dall'energia di legame nucleare. I neutroni e i protoni (noti collettivamente come nucleoni) hanno dimensioni comparabili, dell'ordine di 2,5×10 −15 m, anche se la "superficie" di queste particelle non è ben definita. [39] Il neutrone fu scoperto nel 1932 dal fisico inglese James Chadwick.

Nel Modello Standard della fisica, gli elettroni sono particelle veramente elementari senza struttura interna, mentre protoni e neutroni sono particelle composte composte da particelle elementari chiamate quark. Ci sono due tipi di quark negli atomi, ognuno dei quali ha una carica elettrica frazionaria. I protoni sono composti da due quark up (ciascuno con carica +2/3) e un quark down (con una carica di −1/3). I neutroni sono costituiti da un quark up e due quark down. Questa distinzione spiega la differenza di massa e carica tra le due particelle. [40] [41]

I quark sono tenuti insieme dall'interazione forte (o forza forte), che è mediata dai gluoni. I protoni e i neutroni, a loro volta, sono trattenuti l'uno dall'altro nel nucleo dalla forza nucleare, che è un residuo della forza forte che ha proprietà di intervallo un po' diverse (vedi l'articolo sulla forza nucleare per saperne di più). Il gluone è un membro della famiglia dei bosoni di gauge, che sono particelle elementari che mediano forze fisiche. [40] [41]

Nucleo

Nucleo Atomico

Tutti i protoni e i neutroni legati in un atomo costituiscono un minuscolo nucleo atomico, e sono collettivamente chiamati nucleoni. Il raggio di un nucleo è approssimativamente uguale ai femtometri, dove è il numero totale di nucleoni. [42] Questo è molto più piccolo del raggio dell'atomo, che è dell'ordine di 10 5 fm. I nucleoni sono legati insieme da un potenziale attrattivo a corto raggio chiamato forza forte residua. A distanze inferiori a 2,5 fm questa forza è molto più potente della forza elettrostatica che fa sì che i protoni caricati positivamente si respingano l'un l'altro. [43]

Gli atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni, chiamato numero atomico. All'interno di un singolo elemento, il numero di neutroni può variare, determinare l'isotopo di tale elemento. Il numero totale di protoni e neutroni determina il nuclide. Il numero di neutroni rispetto ai protoni determina la stabilità del nucleo, con alcuni isotopi che subiscono un decadimento radioattivo. [44]

Il protone, l'elettrone e il neutrone sono classificati come fermioni. I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli che proibisce ai fermioni identici, come i protoni multipli, di occupare lo stesso stato quantistico allo stesso tempo. Quindi, ogni protone nel nucleo deve occupare uno stato quantistico diverso da tutti gli altri protoni, e lo stesso vale per tutti i neutroni del nucleo e per tutti gli elettroni della nuvola di elettroni. [45]

Un nucleo che ha un numero diverso di protoni rispetto ai neutroni può potenzialmente scendere a uno stato di energia inferiore attraverso un decadimento radioattivo che fa sì che il numero di protoni e neutroni si avvicini di più fiammifero. Di conseguenza, gli atomi con un numero corrispondente di protoni e neutroni sono più stabili contro il decadimento, ma con l'aumentare del numero atomico, la repulsione reciproca dei protoni richiede una proporzione crescente di neutroni per mantenere la stabilità del nucleo. [45]

Il numero di protoni e neutroni nel nucleo atomico può essere modificato, anche se ciò può richiedere energie molto elevate a causa della forza forte. La fusione nucleare si verifica quando più particelle atomiche si uniscono per formare un nucleo più pesante, ad esempio attraverso la collisione energetica di due nuclei. Ad esempio, al centro del Sole i protoni richiedono energie da 3 a 10 keV per superare la loro reciproca repulsione – la barriera di coulomb – e fondersi insieme in un unico nucleo. [46] La fissione nucleare è il processo opposto, che causa la divisione di un nucleo in due nuclei più piccoli, di solito attraverso il decadimento radioattivo. Il nucleo può anche essere modificato attraverso il bombardamento da particelle subatomiche ad alta energia o fotoni. Se questo modifica il numero di protoni in un nucleo, l'atomo cambia in un elemento chimico diverso. [47] [48]

Se la massa del nucleo a seguito di una reazione di fusione è inferiore alla somma delle masse delle particelle separate, allora la differenza tra questi due valori può essere emessa come un tipo di energia utilizzabile (come un raggio gamma, o l'energia cinetica di una particella beta), come descritto dalla formula di equivalenza massa-energia di Albert Einstein, E=mc 2 , dove m è la perdita di massa e c è la velocità della luce. Questo deficit fa parte dell'energia di legame del nuovo nucleo, ed è la perdita non recuperabile dell'energia che fa sì che le particelle fuse rimangano insieme in uno stato che richiede che questa energia si separi. [49]

La fusione di due nuclei che creano nuclei più grandi con numeri atomici inferiori a quelli del ferro e del nichel - un numero totale di nucleoni di circa 60 - è solitamente un processo esotermico che rilascia più energia di quella necessaria per riunirli. [50] È questo processo di rilascio di energia che rende la fusione nucleare nelle stelle una reazione autosufficiente. Per i nuclei più pesanti, l'energia di legame per nucleone inizia a diminuire. Ciò significa che un processo di fusione che produce un nucleo che ha un numero atomico superiore a circa 26 e un numero di massa superiore a circa 60, è un processo endotermico. Pertanto, i nuclei più massicci non possono subire una reazione di fusione che produca energia in grado di sostenere l'equilibrio idrostatico di una stella. [45]

Articoli principali: Configurazione degli elettroni, Guscio degli elettroni e Orbitale atomico

Vedi anche: Elettronegatività

Gli elettroni in un atomo sono attratti ai protoni nel nucleo dalla forza elettromagnetica. Questa forza lega gli elettroni all'interno di un pozzo di potenziale elettrostatico che circonda il nucleo più piccolo, il che significa che è necessaria una fonte esterna di energia per la fuga dell'elettrone. Più un elettrone è vicino al nucleo, maggiore è la forza attrattiva. Quindi gli elettroni legati vicino al centro del pozzo di potenziale richiedono più energia per sfuggire rispetto a quelli a separazioni maggiori.

Gli elettroni, come altre particelle, hanno proprietà sia di una particella che di un'onda. La nuvola di elettroni è una regione all'interno del pozzo di potenziale in cui ogni elettrone forma un tipo di onda stazionaria tridimensionale, una forma d'onda che non si muove rispetto al nucleo. Questo comportamento è definito da un orbitale atomico, una funzione matematica che caratterizza la probabilità che un elettrone appaia trovarsi in una particolare posizione quando viene misurata la sua posizione. [51] Solo un discreto Un insieme (o quantizzato) di questi orbitali esiste attorno al nucleo, poiché altri possibili modelli d'onda decadono rapidamente in una forma più stabile. [52] Gli orbitali possono avere una o più strutture ad anello o nodi e differiscono l'uno dall'altro per dimensioni, forma e orientamento. [53]

Ogni orbitale atomico corrisponde a un particolare livello di energia dell'elettrone. L'elettrone può cambiare il suo stato a un livello di energia più elevato assorbendo un fotone con energia sufficiente per spingerlo nel nuovo stato quantico. Allo stesso modo, attraverso l'emissione spontanea, un elettrone in uno stato di energia più elevato può scendere a uno stato di energia più basso mentre irradia l'energia in eccesso come fotone. Questi valori di energia caratteristici, definiti dalle differenze nelle energie degli stati quantistici, sono responsabili delle linee spettrali atomiche. [52]

La quantità di energia necessaria per rimuovere o aggiungere un elettrone, il energia di legame degli elettroni: è di gran lunga inferiore all'energia di legame dei nucleoni. Ad esempio, sono necessari solo 13,6 eV per strappare un elettrone allo stato fondamentale da un atomo di idrogeno, rispetto ai 2,23 milioni di eV per la scissione di un nucleo di deuterio. [55] Gli atomi sono elettricamente neutri se hanno un numero uguale di protoni ed elettroni. Gli atomi che hanno un deficit o un surplus di elettroni sono chiamati ioni. Gli elettroni più lontani dal nucleo possono essere trasferiti ad altri atomi vicini o condivisi tra gli atomi. Con questo meccanismo, gli atomi sono in grado di legarsi a molecole e altri tipi di composti chimici come i cristalli di rete ionici e covalenti. [56]

Articoli

principali: Isotopo, Isotopo stabile, Elenco dei nuclidi, e Elenco degli elementi per stabilità degli isotopi

Per definizione, qualsiasi due Gli atomi con un numero identico di protoni nei loro nuclei appartengono allo stesso elemento chimico. Atomi con lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni sono isotopi diversi dello stesso elemento. Ad esempio, tutti gli atomi di idrogeno ammettono esattamente un protone, ma esistono isotopi senza neutroni (idrogeno-1, di gran lunga la forma più comune, [57] chiamato anche prozio), un neutrone (deuterio), due neutroni (trizio) e più di due neutroni. Gli elementi noti formano un insieme di numeri atomici, dall'elemento a singolo protone idrogeno fino all'elemento oganesson a 118 protoni. [58] Tutti gli isotopi conosciuti di elementi con numero atomico maggiore di 82 sono radioattivi, sebbene la radioattività dell'elemento 83 (bismuto) sia così lieve da essere praticamente trascurabile. [59] [60]

Circa 339 nuclidi si trovano naturalmente sulla Terra, [61] di cui 251 (circa il 74%) non sono stati osservati per decadere e sono indicati come "isotopi stabili". Solo 90 nuclidi sono teoricamente stabili, mentre altri 161 (portando il totale a 251) non sono stati osservati decadere, anche se in teoria è energeticamente possibile. Anche questi sono formalmente classificati come "stabili". Altri 35 nuclidi radioattivi hanno un'emivita superiore a 100 milioni di anni e sono abbastanza longevi da essere presenti dalla nascita del Sistema Solare. Questa collezione di 286 nuclidi è nota come nuclidi primordiali. Infine, si sa che altri 53 nuclidi a vita breve si trovano in natura, come prodotti figli del decadimento dei nuclidi primordiali (come il radio dall'uranio), o come prodotti di processi energetici naturali sulla Terra, come il bombardamento di raggi cosmici (ad esempio, il carbonio-14). [62] [nota 1]

Per 80 degli elementi chimici, almeno uno stabile l'isotopo esiste. Di norma, esiste solo una manciata di isotopi stabili per ciascuno di questi elementi, la media è di 3,1 isotopi stabili per elemento. Ventisei "elementi monoisotopici" hanno un solo isotopo stabile, mentre il maggior numero di isotopi stabili osservati per ogni elemento è dieci, per l'elemento stagno. Gli elementi 43, 61 e tutti gli elementi con numero 83 o superiore non hanno isotopi stabili. La

stabilità degli isotopi è influenzata dal rapporto tra protoni e neutroni, e anche dalla presenza di certi "numeri magici" di neutroni o protoni che rappresentano gusci quantistici chiusi e pieni. Questi gusci quantistici corrispondono a un insieme di livelli di energia all'interno del modello a guscio del nucleo; I gusci riempiti, come il guscio riempito di 50 protoni per lo stagno, conferiscono una stabilità insolita al nuclide. Dei 251 nuclidi stabili conosciuti, solo quattro hanno entrambi un numero dispari di protoni e numero dispari di neutroni: idrogeno-2 (deuterio), litio-6, boro-10 e azoto-14. (Il tantalio-180m è dispari e osservativamente stabile, ma si prevede che decada con un'emivita molto lunga.) Inoltre, solo quattro nuclidi radioattivi presenti in natura hanno un'emivita superiore a un miliardo di anni: potassio-40, vanadio-50, lantanio-138 e lutezio-176. La maggior parte dei nuclei dispari-dispari sono altamente instabili rispetto al decadimento beta, perché i prodotti di decadimento sono pari-pari, e sono quindi più fortemente legati, a causa degli effetti di appaiamento nucleare. [64]

Articoli

principali: Massa atomica e numero di massa

La grande maggioranza della massa di un atomo proviene dai protoni e dai neutroni che lo compongono. Il numero totale di queste particelle (chiamate "nucleoni") in un dato atomo è chiamato numero di massa. È un intero positivo e adimensionale (invece di avere dimensione di massa), perché esprime un conteggio. Un esempio di utilizzo di un numero di massa è il "carbonio-12", che ha 12 nucleoni (sei protoni e sei neutroni).

La massa effettiva di un atomo a riposo è spesso espressa in dalton (Da), chiamato anche unità di massa atomica unificata (u). Questa unità è definita come un dodicesimo della massa di un atomo neutro libero di carbonio-12, che è di circa 1,66×10 −27 kg. [65] L'idrogeno-1 (l'isotopo più leggero dell'idrogeno, che è anche il nuclide con la massa più bassa) ha un peso atomico di 1,007825 Da. [66] Il valore di questo numero è chiamato massa atomica. Un dato atomo ha una massa atomica approssimativamente uguale (entro l'1%) al suo numero di massa moltiplicato per l'unità di massa atomica (ad esempio la massa di un azoto-14 è circa 14 Da), ma questo numero non sarà esattamente un numero intero tranne (per definizione) nel caso del carbonio-12. [67] L'atomo stabile più pesante è piombo-208, [59] con una massa di 207,9766521 Da. [68]

Poiché anche gli atomi più massicci sono troppo leggeri per lavorare direttamente, i chimici usano invece l'unità di mole . Una mole di atomi di qualsiasi elemento ha sempre lo stesso numero di atomi (circa 6,022×10 23 ). Questo numero è stato scelto in modo che se un elemento ha una massa atomica di 1 u, una mole di atomi di quell'elemento ha una massa vicina a un grammo. A causa della definizione dell'unità di massa atomica unificata, ogni atomo di carbonio-12 ha una massa atomica di esattamente 12 Da, e quindi una mole di atomi di carbonio-12 pesa esattamente 0,012 kg. [65]

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principale: Raggio atomico

Gli atomi mancano di un confine esterno ben definito, quindi le loro dimensioni sono solitamente descritte in termini di raggio atomico. Questa è una misura della distanza alla quale la nuvola di elettroni si estende dal nucleo. [69] Questo presuppone che l'atomo mostri una forma sferica, che viene rispettata solo per gli atomi nel vuoto o nello spazio libero. I raggi atomici possono essere derivati dalle distanze tra due nuclei quando i due atomi sono uniti in un legame chimico. Il raggio varia con la posizione di un atomo sulla carta atomica, il tipo di legame chimico, il numero di atomi vicini (numero di coordinazione) e una proprietà meccanica quantistica nota come spin. [70] Nella tavola periodica degli elementi, la dimensione dell'atomo tende ad aumentare quando ci si sposta verso il basso di colonne, ma diminuisce quando ci si sposta tra le righe (da sinistra a destra). [71] Di conseguenza, l'atomo più piccolo è l'elio con un raggio di 32 pm, mentre uno dei più grandi è il cesio a 225 pm. [72]

Quando sottoposto a forze esterne, come i campi elettrici, la forma di un atomo può deviare dalla simmetria sferica. La deformazione dipende sulla magnitudine del campo e sul tipo orbitale degli elettroni del guscio esterno, come mostrato da considerazioni di teoria dei gruppi. Le deviazioni asferiche potrebbero essere suscitate ad esempio nei cristalli, dove grandi campi cristallino-elettrici possono verificarsi in siti reticolari a bassa simmetria. [73] [74] È stato dimostrato che si verificano deformazioni ellissoidali significative per gli ioni zolfo [75] e gli ioni calcogeno [76] nei composti di tipo pirite.

Le dimensioni atomiche sono migliaia di volte più piccole delle lunghezze d'onda della luce (400-700 nm), quindi non possono essere osservate con un microscopio ottico, anche se i singoli atomi possono essere osservati con un microscopio a effetto tunnel. Per visualizzare la minuzia dell'atomo, si consideri che un tipico capello umano è largo circa 1 milione di atomi di carbonio. [77] Una singola goccia d'acqua contiene circa 2 sestilione (2×10 21 ) atomi di ossigeno e il doppio degli atomi di idrogeno. [78] Un diamante a carati singolo con una massa di 2×10 −4 kg contiene circa 10 sestilioni (10 22 ) atomi di carbonio. [nota 2] Se una mela fosse ingrandita fino alle dimensioni della Terra, allora gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale. [79]

Ogni

elemento ha uno o più isotopi che hanno nuclei instabili che sono soggetti a decadimento radioattivo, causando l'emissione di particelle o radiazioni elettromagnetiche nel nucleo. La radioattività può verificarsi quando il raggio di un nucleo è grande rispetto al raggio della forza forte, che agisce solo su distanze dell'ordine di 1 fm. Le

forme più comuni di decadimento radioattivo sono: [81] [82]

  • Decadimento alfa: questo processo è causato quando il nucleo emette una particella alfa, che è un nucleo di elio costituito da due protoni e due neutroni. Il risultato dell'emissione è un nuovo elemento con un numero atomico inferiore.
  • Decadimento beta (e cattura elettronica): questi processi sono regolati dalla forza debole e derivano da una trasformazione di un neutrone in un protone, o di un protone in un neutrone. La transizione da neutrone a protone è accompagnata dall'emissione di un elettrone e di un antineutrino, mentre la transizione da protone a neutrone (tranne che nella cattura elettronica) provoca l'emissione di un positrone e di un neutrino. Le emissioni di elettroni o positroni sono chiamate particelle beta. Il decadimento beta aumenta o diminuisce il numero atomico del nucleo di uno. La cattura degli elettroni è più comune dell'emissione di positroni, perché richiede meno energia. In questo tipo di decadimento, un elettrone è assorbito dal nucleo, piuttosto che da un positrone emesso dal nucleo. Un neutrino viene ancora emesso in questo processo e un protone si trasforma in un neutrone.
  • Decadimento gamma: questo processo deriva da un cambiamento del livello di energia del nucleo in uno stato inferiore, con conseguente emissione di radiazioni elettromagnetiche. Lo stato eccitato di un nucleo che provoca l'emissione gamma di solito si verifica in seguito all'emissione di una particella alfa o beta. Pertanto, il decadimento gamma di solito segue il decadimento alfa o beta.

Altri tipi più rari di decadimento radioattivo includono l'espulsione di neutroni o protoni o gruppi di nucleoni da un nucleo, o più di una particella beta. Un analogo dell'emissione gamma che consente ai nuclei eccitati di perdere energia in un modo diverso, è la conversione interna, un processo che produce elettroni ad alta velocità che non sono raggi beta, seguito dalla produzione di fotoni ad alta energia che non sono raggi gamma. Alcuni grandi I nuclei esplodono in due o più frammenti carichi di massa variabile più diversi neutroni, in un decadimento chiamato fissione nucleare spontanea.

Ogni isotopo radioattivo ha un caratteristico periodo di decadimento, l'emivita, che è determinato dalla quantità di tempo necessaria per il decadimento di metà di un campione. Questo è un processo di decadimento esponenziale che diminuisce costantemente la proporzione dell'isotopo rimanente del 50% ogni emivita. Quindi, dopo che sono trascorse due emivite, è presente solo il 25% dell'isotopo, e così via. [80]

Articoli

principali: Momento magnetico elettronico e Momento magnetico nucleare

Le particelle elementari possiedono una proprietà meccanica quantistica intrinseca nota come spin. Questo è analogo al momento angolare di un oggetto che ruota attorno al suo centro di massa, anche se a rigor di termini si ritiene che queste particelle siano puntiformi e non si può dire che lo siano rotativo. Lo spin è misurato in unità della costante di Planck ridotta (ħ), con elettroni, protoni e neutroni che hanno tutti spin 1⁄2 ħ, o "spin-1⁄2". In un atomo, gli elettroni in movimento attorno al nucleo possiedono un momento angolare orbitale oltre al loro spin, mentre il nucleo stesso possiede un momento angolare a causa del suo spin nucleare. [83]

Il campo magnetico prodotto da un atomo, il suo momento magnetico, è determinato da queste varie forme di momento angolare, proprio come un oggetto carico rotante produce classicamente un campo magnetico, ma il contributo più dominante proviene dallo spin dell'elettrone. A causa della natura degli elettroni di obbedire al principio di esclusione di Pauli, in cui non si possono trovare due elettroni nello stesso stato quantistico, gli elettroni legati si accoppiano tra loro, con un membro di ogni coppia in uno stato di spin up e l'altro in uno stato opposto, spin down. Così questi giri si annullano a vicenda, riducendo il momento di dipolo magnetico totale a zero in alcuni atomi con numero pari di elettroni. [84]

Negli elementi ferromagnetici come il ferro, il cobalto e il nichel, un numero dispari di elettroni porta a un elettrone spaiato e a un momento magnetico complessivo netto. Gli orbitali degli atomi vicini si sovrappongono e si ottiene uno stato energetico inferiore quando gli spin degli elettroni spaiati sono allineati tra loro, un processo spontaneo noto come interazione di scambio. Quando i momenti magnetici degli atomi ferromagnetici sono allineati, il materiale può produrre un campo macroscopico misurabile. I materiali paramagnetici hanno atomi con momenti magnetici che si allineano in direzioni casuali quando non è presente alcun campo magnetico, ma i momenti magnetici dei singoli atomi si allineano in presenza di un campo. [84] [85]

Il nucleo di un atomo non avrà spin quando ha numeri pari di entrambi neutroni e protoni, ma per altri casi di numeri dispari, il nucleo può avere uno spin. Normalmente i nuclei con spin sono allineati in direzioni casuali a causa dell'equilibrio termico, ma per alcuni elementi (come lo xenon-129) è possibile polarizzare una percentuale significativa degli stati di spin nucleare in modo che siano allineati nella stessa direzione, una condizione chiamata iperpolarizzazione. Questo ha importanti applicazioni nella risonanza magnetica.

L'energia potenziale di un elettrone in un atomo è negativa rispetto a quando la distanza dal nucleo va all'infinito; la sua dipendenza dalla posizione dell'elettrone raggiunge il minimo all'interno del nucleo, all'incirca in proporzione inversa alla distanza. Nel modello quanto-meccanico, un elettrone legato può occupare solo un insieme di stati centrati sul nucleo, e ogni stato corrisponde a un determinato livello di energia; vedi equazione di Schrödinger indipendente dal tempo per una spiegazione teorica. Un livello di energia può essere misurato dalla quantità di energia necessaria per slegare l'elettrone dall'atomo, ed è solitamente espresso in unità di elettronvolt (eV). Lo stato energetico più basso di un elettrone legato è chiamato stato fondamentale, cioè stato stazionario, mentre una transizione di elettroni a un livello più alto si traduce in uno stato eccitato. [88] L'energia dell'elettrone aumenta insieme a n