IL MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD: STORIA, ESPERIMENTI, POSTULATI - FISICO - 2025

Il modello atomico di Rutherford è la descrizione dell'atomo creato dal fisico britannico Ernest Rutherford (1871-1937) scoperto nel 1911 quando il nucleo atomico dai famosi esperimenti di scattering che prendono il loro nome.

L'idea dell'atomo ("indivisibile" in greco) come il più piccolo componente della materia, era una creazione intellettuale nata nell'antica Grecia, intorno al 300 aC Come tanti altri concetti greci, il concetto di atomo è sviluppato sulla base di logica e argomentazione, ma non sperimentazione.

Il modello atomico di Rutherford

I filosofi atomisti più importanti furono Democrito di Abdera (460-360 a.C.), Epicuro di Samo (341-270 a.C.) e Tito Lucrezio (98-54 a.C.). I Greci concepirono quattro diversi tipi di atomi che corrispondevano ai quattro elementi che secondo loro costituivano la materia: aria, acqua, terra e fuoco.

Successivamente Aristotele avrebbe aggiunto un quinto elemento: l'etere che formava le stelle, poiché gli altri quattro elementi erano puramente terrestri.

Le conquiste di Alessandro Magno, di cui Aristotele era un maestro, ampliarono le sue convinzioni in tutto il mondo antico, dalla Spagna all'India e così, per secoli, l'idea dell'atomo si stava creando un proprio posto nel mondo della scienza.

L'atomo non è più indivisibile

Le idee dei filosofi greci sulla struttura della materia rimasero vere per centinaia di anni, fino a quando un chimico e insegnante di scuola inglese di nome John Dalton (1776-1844) pubblicò i risultati dei suoi esperimenti nel 1808.

Dalton ha convenuto che gli elementi sono costituiti da particelle estremamente piccole, chiamate atomi. Ma è andato oltre affermando che tutti gli atomi dello stesso elemento sono uguali, hanno la stessa dimensione, la stessa massa e le stesse proprietà chimiche, il che li fa rimanere inalterati durante una reazione chimica.

Questo è il primo modello atomico scientificamente fondato. Come i greci, Dalton considerava ancora l'atomo come indivisibile, quindi privo di struttura. Tuttavia, il genio di Dalton lo ha portato a osservare uno dei grandi principi di conservazione della fisica:

• Nelle reazioni chimiche, gli atomi non vengono né creati né distrutti, cambiano solo la loro distribuzione.

E ha stabilito il modo in cui i composti chimici sono formati da "atomi composti" (molecole):

• Quando due o più atomi di elementi diversi si combinano per formare lo stesso composto, lo fanno sempre in proporzioni di massa definite e costanti.

Il XIX secolo è stato il grande secolo dell'elettricità e del magnetismo. Alcuni anni dopo le pubblicazioni di Dalton, i risultati di alcuni esperimenti mettono in dubbio gli scienziati sull'indivisibilità dell'atomo.

Tubo di Crookes

Il tubo di Crookes era un dispositivo progettato dal chimico e meteorologo britannico William Crookes (1832-1919). L'esperimento che Crookes fece nel 1875, consisteva nel posizionare, all'interno di un tubo riempito di gas a bassa pressione, due elettrodi, uno chiamato catodo e l'altro chiamato anodo.

Stabilendo una differenza di potenziale tra i due elettrodi, il gas emetteva un colore che era caratteristico del gas utilizzato. Questo fatto suggeriva che ci fosse una certa organizzazione particolare all'interno dell'atomo e che quindi non fosse indivisibile.

Inoltre, questa radiazione ha prodotto una debole fluorescenza sulla parete del tubo di vetro davanti al catodo, tagliando fuori l'ombra di un segno a forma di croce posto all'interno del tubo.

Si trattava di una misteriosa radiazione nota come "raggi catodici", che viaggiava in linea retta fino all'anodo ed era altamente energetica, capace di produrre effetti meccanici, e che veniva deviata verso una piastra caricata positivamente o anche tramite magneti.

La scoperta dell'elettrone

La radiazione all'interno del tubo di Crookes non poteva essere onde, poiché trasportava una carica negativa. Joseph John Thomson (1856-1940) trovò la risposta nel 1887 quando trovò la relazione tra carica e massa di questa radiazione e scoprì che era sempre la stessa: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Indipendentemente dal gas racchiuso nel tubo o nel materiale utilizzato per realizzare il catodo.

Thomson ha chiamato queste particelle corpuscoli. Misurando la sua massa in relazione alla sua carica elettrica, ha concluso che ogni corpuscolo era di gran lunga più piccolo di un atomo. Pertanto, ha suggerito che dovrebbero far parte di questi, scoprendo così l'elettrone.

Lo scienziato britannico fu il primo a disegnare un modello grafico dell'atomo, disegnando una sfera con punte inserite, che, per la sua forma, prese il soprannome di "plum pudding". Ma questa scoperta ha sollevato altre domande:

• Se la materia è neutra e l'elettrone ha una carica negativa: dove si trova nell'atomo la carica positiva che neutralizza gli elettroni?
• Se la massa dell'elettrone è inferiore a quella dell'atomo, in cosa consiste il resto dell'atomo?
• Perché le particelle così ottenute erano sempre elettroni e mai di altro tipo?

Esperimenti di diffusione di Rutherford: nucleo atomico e protone

Nel 1898 Rutherford aveva identificato due tipi di radiazioni dall'uranio, che chiamò alfa e beta.

La radioattività naturale era già stata scoperta da Marie Curie nel 1896. Le particelle alfa sono caricate positivamente e sono semplicemente nuclei di elio, ma a quel tempo il concetto di nucleo non era ancora noto. Rutherford stava per scoprirlo.

Uno degli esperimenti che Rutherford condusse nel 1911 all'Università di Manchester, con l'assistenza di Hans Geiger, consisteva nel bombardare una sottile lamina d'oro con particelle alfa, la cui carica è positiva. Attorno alla lamina d'oro ha posizionato uno schermo fluorescente che ha permesso loro di visualizzare gli effetti del bombardamento.

osservazioni

Studiando gli impatti sullo schermo fluorescente, Rutherford e i suoi assistenti hanno osservato che:

1. Una percentuale molto elevata delle particelle alfa è passata attraverso il foglio senza deviazioni evidenti.
2. Alcuni hanno deviato ad angoli abbastanza ripidi
3. E pochissimi sono rimbalzati indietro

Esperimenti di diffusione di Rutherford. Fonte: .

Le osservazioni 2 e 3 hanno sorpreso i ricercatori e li hanno portati a supporre che la persona responsabile della diffusione dei raggi debba avere una carica positiva e che in virtù dell'osservazione numero 1, quella persona responsabile fosse molto più piccola di quella delle particelle alfa. .

Lo stesso Rutherford disse al riguardo che era "… come se avessi sparato un proiettile navale da 15 pollici contro un foglio di carta e il proiettile fosse rimbalzato indietro e ti avesse colpito". Questo sicuramente non poteva essere spiegato dal modello Thompson.

Analizzando i suoi risultati dal punto di vista classico, Rutherford aveva scoperto l'esistenza del nucleo atomico, dove era concentrata la carica positiva dell'atomo, che gli conferiva la sua neutralità.

Rutherford ha continuato i suoi esperimenti di dispersione. Nel 1918 il nuovo obiettivo per le particelle alfa erano gli atomi di gas di azoto.

In questo modo individuò i nuclei di idrogeno e capì subito che l'unico luogo da cui potevano provenire questi nuclei era l'azoto stesso. Com'era possibile che i nuclei di idrogeno facessero parte dell'azoto?

Rutherford suggerì quindi che il nucleo dell'idrogeno, un elemento a cui era già stato assegnato il numero atomico 1, doveva essere una particella fondamentale. Lo chiamò protone, una parola greca per prima. Pertanto, le scoperte del nucleo atomico e del protone sono dovute a questo brillante neozelandese.

Il modello atomico di Rutherford postula

Il nuovo modello era molto diverso dal Thompson. Questi erano i suoi postulati:

• L'atomo contiene un nucleo caricato positivamente, che pur essendo molto piccolo, contiene quasi tutta la massa dell'atomo.
• Gli elettroni orbitano intorno al nucleo atomico a grandi distanze e su orbite circolari o ellittiche.
• La carica netta dell'atomo è zero, poiché le cariche degli elettroni compensano la carica positiva presente nel nucleo.

I calcoli di Rutherford indicavano un nucleo con una forma sferica e un raggio di appena ^10-15 m, il valore del raggio atomico essendo circa 100.000 volte maggiore, poiché i nuclei sono relativamente distanti tra loro: dell'ordine di ^10-10 m.

Il giovane Ernest Rutherford. Fonte: sconosciuto, pubblicato nel 1939 a Rutherford: being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Questo spiega perché la maggior parte delle particelle alfa sono passate attraverso il foglio senza problemi o hanno avuto solo una deviazione minima.

Visto alla scala di oggetti di uso quotidiano, l'atomo di Rutherford sarebbe composto da un nucleo delle dimensioni di una palla da baseball, mentre il raggio atomico sarebbe di circa 8 Km. Pertanto, l'atomo può essere considerato quasi tutto come spazio vuoto.

Grazie alla sua somiglianza con un sistema solare in miniatura, divenne noto come il "modello planetario dell'atomo". La forza di attrazione elettrostatica tra nucleo ed elettroni sarebbe analoga all'attrazione gravitazionale tra il sole e i pianeti.

limitazioni

Tuttavia, c'erano alcuni disaccordi su alcuni fatti osservati:

• Se si accetta l'idea che l'elettrone orbita attorno al nucleo, accade che l'elettrone emetta continuamente radiazione fino a quando non entra in collisione con il nucleo, con la conseguente distruzione dell'atomo in ben meno di un secondo. Questo, fortunatamente, non è ciò che accade realmente.
• Inoltre, in certe occasioni l'atomo emette determinate frequenze di radiazione elettromagnetica quando ci sono transizioni tra uno stato di energia superiore a uno con energia inferiore, e solo quelle frequenze, non altre. Come spiegare il fatto che l'energia è quantizzata?

Nonostante queste limitazioni, poiché oggi esistono modelli molto più sofisticati in linea con i fatti osservati, il modello atomico di Rutherford è ancora utile allo studente per avere un primo approccio di successo all'atomo e alle sue particelle costituenti.

In questo modello dell'atomo non compare il neutrone, altro costituente del nucleo, scoperto solo nel 1932.

Poco dopo che Rutherford propose il suo modello planetario, nel 1913 il fisico danese Niels Bohr lo modificò per spiegare perché l'atomo non è stato distrutto e siamo ancora qui per raccontare questa storia.

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Riferimenti

1. Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Appunti di lezione per la cattedra di Radiobiologia e Protezione Radiologica. Scuola di sanità pubblica dell'Università centrale del Venezuela.