Atomo: struttura e modelli

I componenti dell’atomo

L’atomo è il componente fondamentale di ogni molecola. È formato da tre particelle, e in base al loro numero si distinguono gli elementi e i loro isotopi:

• Protone: i protoni sono particelle di carica positiva (1,60 × 10⁻¹⁹ C) e formano il nucleo degli atomi. La massa di un protone è 1,67 × 10^-27 kg, e in base al loro numero (che è pari a quello degli elettroni quando l’atomo ha carica neutra) si distinguono i diversi elementi. Ad esempio, un atomo con un protone è idrogeno, uno con 6 protoni è carbonio e così via.
• Elettrone: gli elettroni si trovano intorno al nucleo (la loro organizzazione esatta sarà trattata in seguito) e hanno carica negativa, di intensità pari a quella dei protoni, -1,60 × 10⁻¹⁹ C. Quando l’atomo ha carica neutra vi sono tanti elettroni quanti protoni. A differenza di questi, però, gli elettroni possono essere persi o guadagnati da un atomo, che quindi diventa uno ione carico. Nonostante pareggino la carica dei protoni, gli elettroni hanno massa molto inferiore: 9,10 × 10⁻³¹ kg.
• Neutrone: è una particella priva di carica e con massa 1,67 × 10^-27 kg, uguale a quella del protone, e quando è presente si trova nel nucleo. Non sempre gli atomi ne sono dotati: vedremo oltre più in dettaglio il loro significato.

I modelli atomici

Nel tempo si sono succeduti diversi modelli riguardanti la struttura dell’atomo. Mentre i primi erano legati alla fisica classica, si è infine visto che solo la fisica quantistica poteva descrivere con precisione quello che avviene a dimensioni così piccole. Tuttavia, il modello dell’atomo di Bohr, plasmato sulle leggi della fisica classica, descrive con una buona approssimazione le caratteristiche dell’atomo, e fissa alcuni parametri che poi sono stati utilizzati, con significato leggermente diverso, anche nel modello quantistico che vedremo in seguito.

Nel modello di Bohr l’atomo è costituito dal nucleo di protoni ed eventualmente neutroni intorno al quale ruotano, come fossero pianeti intorno a una stella, gli elettroni. Ogni elettrone ha una determinata orbita, con una sua forma e una sua distanza dal nucleo. Quando un atomo viene eccitato, cioè riceve una certa quantità di energia, i suoi elettroni passano a un orbita più esterna. Tuttavia, fu osservato che questo non avviene con passaggi continui da un’orbita più interna a una più esterna, ma con uno o più “salti”. Lo stesso avviene quando l’energia viene liberata riportando l’elettrone alla sua orbita originaria. Questi livelli di energia sono detti quanti, e sono come dei “gradini” di cui non esistono valori intermedi. Questo è stato osservato sperimentalmente con l’analisi degli spettri di emissione degli atomi: quando un atomo viene eccitato, esso resistituisce l’energia attraverso onde a ben determinate lunghezze, e non con una variazione continua da un livello a un altro.

A ogni elettrone si possono assegnare dei valori che lo identificano in maniera univoca. Questi sono detti numeri quantici:

• Numero quantico principale (n): il primo valore indica la distanza dal nucleo, assume numeri interi positivi da 1 in poi, e a ogni numero è associato un livello, che via via che cresce può ospitare sempre più elettroni. Ogni periodo cresce di un numero quantico, per cui idrogeno ed elio avranno n = 1, gli elementi del secondi periodo come carbonio e ossigeno n = 2 e così via.
• Numero quantico orbitale (l): assume valori che vanno da 0 a n-1, e a ciascuno corrisponde un orbitale, cioè una funzione matematica che descrive l’orbita di un elettrone intorno al nucleo. A ogni numero quantico orbitale corrisponde una lettera, usata solitamente per caratterizzare gli orbitali collegati. I primi della serie sono s (n = 0), p (n = 1), d (n = 2), f (n = 3).
• Numero quantico magnetico (m_l): i suoi valori vanno da l-1 a l+1, e descrive il numero di orientamenti che può assumere ogni orbitale nello spazio.
• Numero quantico di spin (m_s): descrive il momento angolare di ogni elettrone. Assume due valori: -½ e +½.

Nello stesso atomo nessun elettrone ha gli stessi valori per tutti i numeri quantici. Fino a due elettroni possono condividere i primi tre, che però saranno caratterizzati l’uno da m_s = -½ e l’altro da m_s = +½.

In base a questi numeri si può descrivere la configurazione elettronica di un atomo, che è semplicemente la lista degli elettroni che esso possiede, ciascuno corredato dalla serie dei numeri quantici che lo contraddistinguono.

In seguito, gli avanzamenti nel campo della fisica quantistica hanno messo in discussione alcuni pilastri su cui si reggeva il modello atomico di Bohr. In particolare, è stato dimostrato che non è possibile sapere con esattezza l’orbita compiuta da un elettrone, ma si può solo prevedere dove è più probabile che si trovi in un certo momento. Questo deriva dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che sostiene che non è possibile conoscere contemporaneamente con esattezza la posizione e la quantità di moto (cioè il prodotto tra massa e velocità) di un oggetto, nella fattispecie di un elettrone. Alle orbite definite dell’atomo di Bohr si vanno a sostituire quindi delle funzioni matematiche che indicano dove può trovarsi l’elettrone con maggiore probabilità. Questo modello è stato messo a punto da Schroedinger, e associa a ogni elettrone un livello energetico determinato da una funzione d’onda, indicata con Ψ².

Tuttavia, questo cambio di prospettiva, che concettualmente è notevole, non deve essere visto come un annullamento della validità di quello che si era detto fino a prima. Bisogna solo tenere presente che tutti i calcoli esatti delle orbite degli elettroni sono in realtà previsioni probabilistiche. Questo però non cambia il valore e il significato dei numeri quantici, che sono usati per definire lo spazio probabilistico in cui si può trovare ogni elettrone.

Guardiamo un esempio pratico: la configurazione elettronica del carbonio. Il carbonio, nella sua forma neutra, ha 6 elettroni. In maniera sintetica, come si trova nella tavola periodica, la sua configurazione elettronica viene descritta come 1s²2s²2p². Questa breve formula indica tutto quello che c’è da sapere sui numeri quantici di ciascuno dei sei elettroni. Infatti, i numeri 1 e 2 sono i numeri quantici principali, s e p, come si è detto prima, sono gli orbitali collegati ai numeri quantici orbitali 0 e 1, e i numeri sopra le lettere indicano quanti elettroni ci sono in ogni orbitale.

Vediamolo in una tabella:

Come si vede, ogni elettrone ha una serie unica di numeri quantici.

La configurazione elettronica e il numero di protoni e neutroni sono le caratteristiche principali che si trovano nella tavola periodica, che ordina gli elementi in base ai propri numeri atomici.