Giuseppe Frangiamore con la collaborazione di Giuseppe Orlando
Premessa
Una delle più importanti scoperte compiuta in campo scientifico fu quella di aver compreso che la materia è costituita da atomi. Esistono in natura 90 tipi di atomi chiamati anche elementi chimici.
L’atomo è costituito da un nucleo centrale circondato da particelle in movimento chiamati elettroni.
Il nucleo possiede carica elettrica positiva, mentre gli elettroni una carica elettrica negativa. La massa dell’atomo è concentrata nel nucleo visto che gli elettroni sono particelle molto leggere.
La struttura dell’atomo
Il nucleo atomico è costituito da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. I neutroni non posseggono alcuna carica ma sono dotati di una massa appena più grande del protone; i protoni sono particelle cariche positivamente e pertanto nel nucleo tendono a respingersi a causa della forza di Coulomb; ma le particelle del nucleo sono tenute insieme da forze ancora più intense, di tipo attrattivo, che conferiscono ad esso una grande compattezza; sono le forze nucleari.
Il numero atomico (Z) indica il numero di protoni presenti nel nucleo oltre al numero di elettroni che ruotano intorno ad esso.
Il numero di massa (A) è la somma del numero dei protoni e di quello dei neutroni presenti nel nucleo.
Il numero dei protoni è sempre uguale a quello dei suoi elettroni, ma quello dei neutroni è variabile; infatti, vengono chiamati isotopi, gli atomi di un elemento aventi lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni.
L’elettrone è dotato di una carica elettrica negativa pari a −1,6 · 10-17 coulomb.
Nel 1911, il fisico neozelandese Ernest Rutherford effettua quello che viene ritenuto il primo esperimento di fisica nucleare. Egli diresse un fascio collimato di particelle α su una sottile lamina di oro. Scopo dell’esperimento era quello di capire la struttura dell’atomo. Il fisico osservò che le particelle α, cariche positivamente e molto più pesanti di un elettrone subivano dei grandi angoli di deviazione.
Dall’osservazione di questo tipo di urti, Rutherford arrivò alla conclusione sorprendente che il raggio del nucleo era di circa 10.000 volte inferiore di quello dell’atomo.
Gli ioni
Il fenomeno della ionizzazione avviene quando gli elettroni vengono strappati dagli atomi a cui appartengono.
Quando l’atomo perde uno o più elettroni, si trasforma in uno ione positivo o catione perché possiede un’elevata carica positiva; quando acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione negativo o anione.
In alcuni elementi (come per esempio i metalli) gli atomi possono perdere facilmente gli elettroni delle orbite più esterne. In un oggetto metallico questi elettroni possono quindi abbandonare l’atomo originario e muoversi liberamente all’interno dell’oggetto. Se attraverso alla sostanza si applica una tensione elettrica, si può avere un movimento di cariche elettriche all’interno di essa: cariche negative, trasportate dagli elettroni, nel caso dei metalli.
I materiali in cui questo movimento di cariche può avvenire si dicono conduttori, mentre quelli in cui gli elettroni sono più saldamente ancorati agli atomi, e quindi non può aversi movimento di cariche, sono detti isolanti.
I migliori conduttori sono i metalli, in particolar modo l’argento, il rame e l’alluminio; sono buoni conduttori il carbone, il suolo, i corpi umidi, le soluzioni di sali e di acidi.
Sono isolanti il vetro, l’ambra, la bachelite, la porcellana, le materie plastiche, la gomma, la seta, il cotone, il legno asciutto, la carta secca.
I gas sono normalmente isolanti, divengono però conduttori quando alcuni degli elettroni vengono strappati dagli atomi del gas (ad esempio, sotto l’azione di forze elettriche molto intense o se colpiti da altri elettroni, già lanciati dalle stesse forze). Nel gas si innesca allora una scarica, o una breve scintilla, attraverso cui la corrente elettrica fluisce per movimento di elettroni ed atomi carenti di elettroni (ioni).