giovedì 9 novembre 2017

"Siamo polvere di stelle" 3/4_A - l'ABC dell'Atomo






Dopo aver visto di quali elementi è composto il corpo umano e la Terra (post 1/4), e dopo aver approfondito a cosa servono questi elementi nel nostro corpo (post 2/4), faccio qui come parentesi un breve rinfresco di chimica di base, niente però di tremendo, non preoccupatevi. E' necessario per poter rendere più comprensibili gli argomenti che collegano il corpo umano, il nostro pianeta e le stelle.



Potreste anche saltarla, 
questa parentesi, se non vi piace o non vi interessa la chimica, e andare direttamente alla Evoluzione Stellare: il problema è che vi troverete a leggere passaggi e concetti che senza questa introduzione resteranno nebulosi e lacunosi e vi toglieranno parte del piacere di aver capito come funziona.
Grazie a questa parentesi, invece, l'argomento in generale sarà più accessibile e prenderete un pochino di confidenza con alcuni termini e processi.

Fidatevi, questo non è un trattato di chimica, siamo qui per schiarirci le idee, non per complicarci la vita; vedrete che seguendomi si farà tutto più chiaro, e allora sarà un vero piacere leggere tutto il resto una volta che si riesce a capire di cosa stiamo parlando.


"Siamo polvere di stelle" 1/4 - gli elementi del corpo umano e della Terra
"Siamo polvere di stelle" 2/4 - approfondimento sugli elementi del corpo umano
"Siamo polvere di stelle" 3/4_B - Tavola Periodica degli Elementi
"Siamo polvere di stelle" 4/4 - Evoluzione Stellare: le Stelle come fucine degli elementi




                                                                                                                                                             Cosa sono 
                                                                        atomi, ioni, isotopi,                                                                          livelli energetici, quanti e molecole?                                                                                                                                                

                                                                                                  


L'atomo (che un tempo erroneamente si riteneva indivisibile) "è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche".                                               
Per capirci, TUTTO è fatto di atomi, l'aria, l'acqua, la terra, le creature viventi, qualsiasi cosa è costituita da migliaia, milioni, miliardi di atomi.




Nell'atomo, che è sferico, si trovano:                                                                                          

- un nucleo centrale formato da nucleoni, particelle sub-atomiche (più piccole dell'atomo) cioè      protoni (carichi positivamente quindi +)
  neutroni (di carica neutra cioé +-)                 

- attorno a questo nucleo orbitano gli elettroni (di carica negativa quindi -)



                                                                                                                               Ricordatevi di tenere bene a mente e separate queste 3 particelle:
                                                                                                                                                        - Protone+ e Neutrone nel Nucleo
                                                                                                                                                            - Elettrone- che orbita intorno
                                                                                                                               e badate bene di non confonderle (il "+" e "-" vi aiutano in questo).                                                                                                                    




NotaBene:
considerate, per farvi un'idea il più possibile corrispondente alla realtà, che Protoni+ e Neutroni hanno la stessa dimensione e sono relativamente grandi, mentre gli elettroni- sono 2.000 volte più piccoli ed hanno quindi una massa pressoché trascurabile (ma attenzione, adesso ho parlato di "massa", che detto in modo molto riduttivo e non del tutto corretto, è la quantità di materia o il peso; invece la carica elettrica, opposta a quella del protone+, è tuttavia la stessa come grandezza per cui l'elettrone-, per quanto piccolo e senza massa, resta una particella fondamentale).



Inoltre il raggio dell'atomo (gli atomi hanno raggi compresi tra 0.25 e 3 A=Angstrom) è enormemente più grande del raggio del nucleo (in foto 1/100.000=1 Fermi), il che vuol dire che c'è moltissimo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni- che gli orbitano intorno.









                                                                                                                                 Questa parte è davvero estremamente affascinante per cui la metto in una finestra particolare perché merita particolare attenzione e riflessione, invitandoci ad essere un po' visionari. Una finestra sulla fisica quantistica.                                                                                 
                                                                                                       il 99,9 % dell'atomo è vuoto                                                  in realtà noi ci libriamo a distanza di un nanometro                                                            sopra la sedia su cui siamo seduti                                                                                             
There are more atoms in a glass of water than glasses of water in all the oceans in the world
Ci sono più atomi in un bicchiere d'acqua, che bicchieri d'acqua in tutti gli oceani del mondo                                                                                                                                                                                                                                                                                            
Qualche esempio per visualizzare le dimensioni reali di un atomo:                                   
- il diametro di un capello umano, così sottile e quasi impalpabile, corrisponde a circa 1 milione di atomi di carbonio disposti in fila
- se una mela diventasse della dimensione della Terra, gli atomi nella mela sarebbero approssimativamente delle dimensioni della mela originale
- se il nucleo di un atomo fosse della grandezza di un pallone di calcio, l'elettrone più vicino si troverebbe a 800 metri di distanza                                                                                                                                                                                                                                                                         
                                                                                                       
- se dovessimo togliere tutto lo spazio vuoto negli atomi che costituiscono un essere umano, lui o lei sarebbe molto più piccolo di un granello di sale!
- se togliessimo tutto lo spazio vuoto tra nucleo ed elettroni che compongono tutti gli esseri umani del pianeta, allora tutti i 6 miliardi di abitanti della terra ci starebbero nello spazio di una mela!                                                                                                                                                                                                                                                                         
                                                                                                                              Un altro esempio che aiuta a visualizzare quanto siano incredibili le distanze tra nucleo ed elettroni-                                 (gentilmente concesso da Samuele di Blogzero):                                                       
Immaginiamo un’arancia che cresca fino a raggiungere le dimensioni della Terra. A questo punto gli atomi dell’arancia sarebbero grandi come ciliegie. Miriadi di ciliegie strettamente impacchettate in un globo delle dimensioni della Terra: ecco un’immagine ingrandita degli atomi di un’arancia.                                                                                                         
                                              E il nucleo?                                                               Questo atomo è tuttavia enorme se confrontato con il suo nucleo, che sta al centro. Nella nostra immagine degli atomi-ciliegie, il nucleo sarebbe così piccolo da non poterlo nemmeno vedere. È quindi necessario ingrandire l’atomo fino alle dimensioni della più grande cupola al mondo, quella della basilica di S.Pietro a Roma, per poter intravedere il nucleo dell’atomo, grande come un granello di sale. Un grano di sale al centro della cupola di San Pietro e dei granelli di polvere che gli turbinano intorno nell’enorme vastità della cupola: in questo modo possiamo raffigurare il nucleo e gli elettroni- di un atomo.
                                             
                                                                                                                                   "E' tutto vuoto? Proprio vuoto no, la forza elettromagnetica che li lega evita che sia tutto vuoto. Anche se non c'è materia c'è una forza".                                                                                                                                                             Ecco allora 2 domande possibili e interessanti
                                                                                                                          Allora, vi domanderete forse,                                                                        come mai se ci sediamo sulla sedia non cadiamo per terra?
Inoltre, se 2 corpi sono fatti praticamente di nulla, com’è possibile che se si scontrano si respingano?
                                                                                                                         La ragione è questa:
2 elettroni- non possono trovarsi contemporaneamente nello stesso stato quantistico.
Quindi quando 2 elettroni- si avvicinano, superato un certo limite iniziano a respingersi automaticamente, come 2 calamite di polo opposto ("Principio di esclusione di Pauli").
Detto in modo più tecnico, le molecole che compongono la materia non possono essere spinte arbitrariamente una contro l’altra, poiché gli elettroni- di ogni molecola non possono entrare nello stesso stato degli elettroni- di un’altra molecola.
                                                                                                                                               
Quindi, tornando alla domanda sulla sedia, quando ci sediamo pensiamo di toccarla appoggiandoci sopra il corpo, ma in realtà ci stiamo semplicemente librando a meno di un nanometro di distanza dalla seduta, respinti dalle forze elettriche e quantistiche dell’oggetto-sedia.
                                                                      Sono quindi le forze quantistiche che entrano in gioco tra gli elettroni- delle varie molecole a renderci “solidi”.
                                                                                                                                                                                                                                                                            Secondo la legge chiamata "Principio di incertezza di Heisenberg" gli atomi sono in più di un posto contemporaneamente fino a quando un osservatore cosciente li guarda.
Sappiamo che una volta che trilioni di atomi si uniscono per creare oggetti di uso quotidiano, come la tua mano, smettono di comportarsi in un modo strano, ma nessuno sa davvero quando e come passano da uno stato all'altro.                                                                                                              



Concetto chiave: 
il numero di elettroni- dev'essere uguale a quello dei protoni+ nel nucleo
per bilanciare le cariche e far si che l'atomo (e quindi la materia) 
                                    sia privo di carica elettrica in condizioni di normalità                                                                        ("stato fondamentale").                                                                                    
                                       

L'immagine di apertura dell'atomo con i protoni+ rossi e i neutroni ed elettroni- azzurri è semplicisticamente schematica, perché in realtà, solo per saperlo:

gli elettroniorbitano tutt'intorno al nucleo in una nuvola vorticosa e su più strati...










 ...e possono essere molto numerosi (vedi l'atomo di rame nella figura a fianco: l'Idrogeno H ha solo un protone+ e un elettrone-, quindi il nucleo è il più piccolo, mentre il Rame Cu ha ben 29 protoni+ e quindi un nucleo molto più grosso e di conseguenza anche la nuvola energetica è più grande essendoci 29 elettroni distribuiti su livelli diversi)





Qui abbiamo il confronto con l'atomo di Uranio che ha addirittura 92 protoni+ e 92 elettroni-.
(Considerate, guardando l'immagine, che in questo caso i nuclei non sono in scala essendo come abbiamo capito molto ma molto più piccoli rispetto all'orbita dell'elettrone.
Seconda cosa, i 2 nuclei non sono corretti neanche in proporzione perché l'atomo di Idrogeno in realtà avendo un solo Protone+ sarebbe molto più piccolo, il più piccolo e leggero degli atomi.)
Senza entrare troppo nei dettagli, perché sarebbe complicato, sappiate che gli elettroni- si distribuiscono a partire dai livelli energetici o gusci più interni e vicini al nucleo e via via riempiendo quelli più esterni secondo però quantità ben precise, cioé si dice "quantizzate".


- il nucleo costituito da protoni+ e neutroni dovrebbe essere più piccolo della capocchia di uno spillo (come evidenziato nella finestra precedente).                                                                                                                      


-  un elettrone- è molto, molto più piccolo del protone (2.000 volte), quindi ha una massa trascurabile, pur avendo però carica elettrica negativa di grandezza uguale a quella positiva del protone+; le cariche elettriche di polarità opposta sono però uguali, per cui si annullano a vicenda in caso di numero uguale.



                                                                                                                                                     Qualche numero:
                                                                                                                                                     l'atomo è 1 metro diviso 50 miliardi
                                                                                                                                                il protone+ è 5.000 volte più piccolo dell'atomo
                                                                                                                                          l'elettrone- è 10.000 volte più piccolo del protone+                                                                                                                                                                                                                                       
   Le dimensioni dell'atomo di Idrogeno H, in m. Dall'atomo all'elettrone- un salto di ben 7 gradini, dall'infinitamente grande all'infinitamente piccolo non si finisce mai di fare scoperte nuove ed interessanti.                                                                                                            


A questo punto però vi sarete forse già posti una domanda fondamentale:
ma i protoni+, con la stessa carica, non si respingono?

Effettivamente dovrebbero respingersi violentemente, ma interviene una forza, una "colla", capace di "incollare" tra loro i protoni+ vincendo la loro "repulsione coulombiana", e scopriamo che per tenerli insieme sono necessari anche i Neutroni; tale forza vale tra protoni+, tra neutroni, tra protoni+ e neutroni:  Interazione Nucleare Forte (vedi prossima doppia finestra).

L'osservazione che tutta la materia conosciuta è solo una differente combinazione degli stessi 3 oggetti (protoni+, neutroni ed elettroni-) ha quindi semplificato la struttura della materia, riducendo il numero dei componenti fondamentali da 90 elementi chimici (in passato, mentre oggi siamo arrivati a 118) a 3 particelle.

Quello che differenzia gli elementi chimici non è altro che 
il numero di protoni+ presenti nel nucleo.
Infatti poiché i protoni+ ed i neutroni pesano circa 2.000 volte di più degli elettroni-, è il loro numero a determinare la Massa Atomica A degli atomi (più protoni+ e neutroni ci sono, più l'atomo è pesante).


Inoltre il numero di protoni+ e quindi di elettroni- presenti nell'atomo neutro (cioè il Numero Atomico Z) ne determina le proprietà chimiche.
Il numero di neutroni per un elemento può non essere costante, e questo spiega perché alcuni elementi hanno un peso atomico, misurato come peso ponderato di isotopi (atomi di uguale numero atomico ma diversa massa atomica) non multiplo esatto del peso del protone+.




Giungiamo poi allo Ione che è invece una particella dotata di carica elettrica, data da un atomo (o una molecola) che abbia perso o acquistato 1 o più elettroni-.


         
- Se ha perso 1 o più elettroni- lo ione ha carica positiva ed è detto catione o Ione+ (indicato con tanti "+" quanti sono gli elettroni- persi).
                                                                                                 
- Se ha acquistato 1 o più elettroni- ha carica negativa e viene chiamato anione o Ione- (indicato con tanti "-" quanto sono gli elettroni- acquistati).
                                                                                                                                                 



 Molto più semplicemente seguite questo esempio, dove per comodità trascuriamo momentaneamente i neutroni, sarà molto più chiaro
(*ricordatevi che un atomo o un raggruppamento di atomi non possono mai perdere protoni+):                                                                                                                                                 
Prendiamo un atomo "neutro", che ha 6 cariche positive (protoni+ blu) e 6 cariche negative (elettroni- rossi), quindi privo di carica elettrica (+6 -6 = 0).                                                                                                                  

                                               
Se l'atomo perde un elettrone la sua struttura diventa questa, cioè assume una carica positiva, perché i protoni+ sono più numerosi, diventando così un catione (+6 -5 = +1)


Qui abbiamo ad esempio un atomo di Na cioè Sodio, che ha 11 protoni+ e 11 elettroni-, a sinistra.
Perdendo l'elettrone- che si trova nell'ultima orbita l'atomo diventa uno Ione+ o catione di Na, dove ora l'ultima orbita è completa. Si scrive Na+.

Solo per accennarlo, il processo per cui l'elettrone- si stacca dall'atomo neutro è detto Ionizzazione e l'energia necessaria per strappare ad un atomo neutro un elettrone- si chiama energia di ionizzazione (trattata anche nel post 3/4 dell'atmosfera).
* quando si parla di ionizzazione in alta atmosfera, si intendono quindi Ioni+ o cationi, che è bene sapere che sono dannosi per l'essere umano



Qui invece abbiamo la situazione opposta. Un atomo di Cl cioè Cloro, che ha 17 protoni+ e 17 elettroni-, a sinistra, che acquista 1 elettrone- e diventa così uno Ione- o anione di Cl e si scrive Cl-.
Ha assunto una carica negativa perché diventano più numerosi gli elettroni (+17 -18 = -1).                                     
Sempre solo per accennarlo, la tendenza di un atomo neutro ad acquistare invece elettroni- si misura con l'Affinità Elettronica, che è quindi l'energia spesa per introdurre un elettrone- in un atomo neutro o anche l'energia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettrone-.             
* al contrario degli Ioni+, gli Ioni- o anioni, cioé gli atomi che hanno acquistato 1 o più elettroni-, fanno tanto bene alla salute e ne è piena la natura nella Troposfera. Anche solo accendendo una lampada al sale si può fruire di questi benefici atomi (in casa nostra infatti non può mancare almeno una di quelle bellissime lampade).       


Se avete seguito bene dovreste essere in grado di comprendere ora lo schema di questa scheda riassuntiva.

Al centro abbiamo l'atomo neutro con uguale numero di protoni+ ed elettroni-.
Verso destra si trasforma in Ione+ e quindi ha perso 1 elettrone-.
Verso sinistra si trasforma in Ione- e quindi ha acquistato 1 elettrone-.

EI = Energia di Ionizzazione che toglie 1 elettrone- e si va verso destra.
AE = Affinità Elettronica che introduce un elettrone- e si va verso sinistra.



                                                  Quindi, ricapitoliamo:                                                                                                                                                                                           
- i protoni+ ed i neutroni stanno nel nucleo, mentre gli elettroni- vi girano intorno

- un elemento è diverso da un altro per il numero di protoni+ e quindi di elettroni- presenti nell'atomo

- questo numero si chiama numero atomico (Z = numero di protoni+ e quindi di elettroni-)
                                                                                                                
- l'atomo in condizioni normali è neutro, non presenta carica elettrica, per cui il numero di protoni+ deve essere uguale al numero di elettroni-.
Vedete nell'immagine a fianco, chiaramente, che se le 2 diverse particelle (arancione protone+ e giallo elettrone-) sono in numero uguale, facendone la somma ovviamente la carica si annulla diventando 0.






- e i neutroni ?


Per i neutroni il discorso è diverso: uno stesso elemento può essere costituito da atomi aventi un diverso numero di neutroni. Atomi di uno stesso elemento con numero diverso di neutroni si dicono Isotopi (in questo caso le particelle arancioni protoni+ e verdi elettroni- sono in numero uguale, ciò che invece cambia è il numero di neutroni grigi, 0, 1 e 2 per lo stesso tipo di elemento).



Come vedete ben riassunto in modo semplice qui sotto, abbiamo i 3 isotopi del Carbonio, che significa numero di Protoni+ ed Elettroni- uguale, di conseguenza anche Numero Atomico uguale, mentre il numero di Neutroni cambia da 6 a 7 a 8 e di conseguenza anche il Numero di Massa atomica (il "peso" dell'atomo dato dalla somma di Protoni+ e Neutroni) cambia da 12 (6+6) a 13 (6+7)  a 14 (6+8).
Notate che anche nell'immagine dei 3 nuclei il numero di neutroni azzurri cambia. Piuttosto chiaro no?


Vediamo qualche altra immagine di isotopi. Protoni+ ed elettroni- in numero sempre uguale, cambia il numero di Neutroni (ricordo, di carica nulla e che contribuiscono alla Massa atomica).












Sotto abbiamo gli isotopi di Idrogeno (H) e Carbonio (C) confrontati.




                Com'è la vita di un Atomo?
                                    Le 4 forze fondamentali
                                                                                                                           Gli atomi sono in continuo cambiamento.                                                   Instaurano legami, si scindono da molecole, e soprattutto scambiano elettroni. Infatti gli elementi sono in grado di acquistare o cedere gli elettroni-. In questo caso si dice diventano Ioni.                                                                                                                                                                                                       Perché avvenga questa reazione, però, è necessario che siano vicini tra loro due o più atomi, perché gli elettroni- persi da qualcuno devono essere acquisiti da altri.                                                                                                                                                                                                                                        Elettrone-                                                                                               Il moto dell'elettrone- genera un campo magnetico; la variazione della sua energia e della sua accelerazione causano l'emissione di fotoni; è, inoltre, responsabile della conduzione della corrente elettrica e del calore.                                                     Neutrone                                                                                  particella subatomica costituita da 2 quark down e 1 quark up. Compone i nuclei assieme al Protone, con il quale si trasforma in continuazione                                                                      Protone+                                                                       composto da sub-particelle elementari, 2 quark up e 1 quark down. Pur con la stessa carica elettrica, più protoni rimangono legati insieme grazie alle interazioni fondamentali.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       
- le ultime scoperte scientifiche ci illuminano sul fatto che i protoni+ e i neutroni sono costituiti da particelle ancora più piccole come i quark, i bosoni, i neutrini...(vedi post Atmosfera 3/4, finestra Raggi Cosmici)                                                                                               
                                                                                                                                                                                   
        protone: 2 quark up, 1 quark down      neutrone: 1 quark up, 2 quark up                                                              
                                                                                                                                              4 forze o interazioni fondamentali:                                                                                                    
1 - interazione gravitazionale
forza di gravità, è la più debole, perché per essere determinante necessita della presenza di grandi masse di materia
2 - interazione elettromagnetica
quella che attira gli elettroni verso il nucleo, abbastanza debole
3 - interazione nucleare debole
responsabile del decadimento di alcune particelle nucleari, il decadimento dell'atomo è detto radioattività
4 - interazione nucleare forte
la forza che permette ai protoni di rimanere uniti tra di loro. La sua azione incollante è la più forte delle 4 e permette di contrastare efficacemente la repulsione coulombiana - forza esercitata dal campo elettrico su di una carica elettrica; si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi -.
Grazie alla forza nucleare forte, non solo rimangono uniti i protoni tra loro, ma anche i neutroni. Protoni e neutroni si trasformano gli uni negli altri in continuazione. I quark a volte si trasformano da up in down e viceversa, causando il cambiamento dei protoni i quali diventano neutroni e viceversa.

Nell'immagine sopra, come mettere insieme i protoni nel nucleo e tenerceli: tra le "forze disgreganti" l'alta temperatura e la repulsione elettrostatica, mentre tra le "forze aggreganti" l'alta pressione che compatta e l'interazione forte (importante quando vedremo l'evoluzione stellare).                                                                                             
Ecco qui una rappresentazione grafica della repulsione Coulombiana per cui particelle dello stesso segno si respingono, vale infatti sia per gli elettroni- che orbitano all'esterno, che per i protoni+ all'interno del nucleo                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     
Anche i quark vengono tenuti insieme tra loro dalla 4^ forza;
Il decadimento dei quark produce altre particelle: tra esse, bosoni e antineutrini.
Si chiama decadimento beta e comporta la radioattività.                                                                                                                                                
                                                                                                                                                                                                   
   Una curiosità: nell'atomo di Uranio con ben 92 protoni+, come mai ci sono addirittura 143 neutroni? Servono a fare sì che i protoni+, che sono così tanti e vicini, non si disturbino (come detto infatti, cariche uguali si respingono). Se ci fossero solo i 92 protoni+, esploderebbero in tutte le direzioni, mentre solo 92 neutroni non sarebbero sufficienti a contrastare la forza esplosiva. 143 neutroni diluiscono questa forza di repulsione.                                                                                                                                                                                            



Elettroni- e Livelli Energetici



- le orbite degli elettroni- vengono chiamate gusci o strati: essi sono dei livelli energetici posseduti dagli elettroni-, che si dispongono nello spazio attorno al nucleo partendo dal guscio più interno per poi occupare progressivamente gli altri

- gli elettroni situati negli strati ("orbite") più lontani dal nucleo sono più ricchi di energia (si trovano ad un livello energetico superiore); quelli situati negli strati più vicini al nucleo si trovano ad un livello energetico inferiore

- mentre le orbite interne sono piene di elettroni- (secondo però una formula ben precisa che ha a che fare con i Numeri Quantici), l'ultima orbita può essere riempita completamente oppure restare non completa, di conseguenza si avviano tutta una serie di possibili scambi energetici secondo la "regola dell'ottetto":
--- alcuni atomi si legano facilmente tra loro, mentre altri rimangono isolati, tutto ciò avviene per via degli elettroni- del guscio più esterno appunto ( = configurazione elettronica esterna)

--- se un atomo contiene nel guscio più esterno 8 elettroni-, allora è chimicamente stabile

--- se invece un atomo contiene nel guscio esterno meno di 8 elettroni-, allora è chimicamente instabile e reattivo


- tutti gli elementi infatti "desiderano" avere l'ultima orbita completa (ottetto).

---Alcuni tendono a reagire perdendo elettroni- (in questo modo rimangono con l'orbita sottostante completa: catione o Ione+. Questi elementi si chiamano "metalli")
---Altri tendono a reagire acquistando elettroni- (in questo modo completano l'orbita: anione o Ione-: questi elementi si chiamano "non metalli")
---Altri ancora si uniscono mettendo in comune elettroni- (fino ad avere nell'ultimo strato un assetto completo di elettroni-)





ma quanti elettroni- possono stare 
in ciascun livello energetico o guscio?

Qui il discorso, pur importantissimo ed affascinante, diventa complesso e ci porta fuori dallo scopo di questo blog, per cui basta solo un accenno.
Dobbiamo affidarci alla meccanica quantistica, affrontando un termine che molti di voi avranno già sentito (e non parlo ovviamente degli esperti) anche se risulta qualcosa di estraneo e lontano (e pensare che in 2^ superiore ero stato interrogato su questo argomento):


i "Quanti"




In realtà comprenderne almeno il senso non è cosa tremenda, fidatevi.

L'elettrone- è una particella che ha associata una certa quantità di energia e che può emettere radiazioni elettromagnetiche (luce visibile, infrarossi, raggi x, ultravioletto etc.. post Big Bang). Inoltre è elettricamente negativa e si muove intorno al nucleo positivo.
Questa energia non può avere un qualsivoglia valore ma deve avere certi valori precisi, distinti, ossia quantizzati (esattamente come, nella figura sopra, ciascun scalino).





L'energia arriva...


















...ma solo la quantità di energia sufficiente fa saltare l'elettrone- al livello superiore.










Gli elettroni- occupano certe regioni dello spazio corrispondenti a livelli energetici quantizzati.
Mentre l'elettrone- si muove in un certo livello non emette né assorbe energia (stato fondamentale). Un atomo nel quale qualche elettrone occupi un livello energetico superiore a quello normale si dice allo stato eccitato; esso comunque tende a ritornare allo stato fondamentale emettendo l'energia assorbita nell'eccitarsi.


E' utile vedere come avviene questo passaggio dallo stato fondamentale a quello eccitato e viceversa.


Se l'elettrone- salta ad un livello energetico superiore più lontano dal nucleo, assorbe energia (in altre parole se l'atomo viene colpito da una quantità sufficiente di energia, tale energia fa saltare l'elettrone- al livello superiore).















Se salta ad un livello energetico inferiore, più vicino al nucleo, emette energia (in altre parole quando ritorna al livello inferiore come normalmente tende a fare, emette la quantità di energia che lo aveva fatto saltare, generalmente sottoforma di luce).









L'energia che l'elettrone- emette tornando al livello inferiore, la stessa che lo aveva fatto saltare su, spesso è energia luminosa.







Poi, il colore della energia emessa sotto forma di luce dipende dalla struttura dell'atomo di quel dato elemento chimico e da qui si arriva allo spettro di emissione e di assorbimento, ma non è questa la sede.


Ecco quanto appena spiegato, in un'animazione molto pratica.
Prima 1 "quanto" di energia arriva e l'elettrone- la assorbe eccitandosi e saltando al livello superiore.
Dopo l'elettrone- torna per sua tendenza naturale allo stato fondamentale, al livello inferiore, e nel farlo emette la stesso quanto di energia in forma luminosa.







Ma questa energia che provoca il salto come deve essere?

Beh, per provocare il salto deve esserci la quantità giusta o sufficiente; se arriva meno energia l'elettrone- non l'assorbe, se arriva più energia assorbe quella che serve per il salto e rifiuta l'eccesso. Quindi tradotto assorbe una quantità di energia quantizzata.


Eccoci qui, vero che non è poi così tremendo come sembra?




A differenza della meccanica classica, la meccanica quantistica è una teoria delle probabilità, quindi non dice che gli elettroni- vivono su orbite fisse, ma fornisce la probabilità di trovarli ad una certa distanza dal nucleo. Il valore più probabile, per ogni orbita, coincide con quello trovato con il modello semi-classico.

Non si parla quindi più di orbite, ma di "orbitali".
Le dimensioni, la forma e l'orientamento degli orbitali sono descritti dai 



In questa sede ci basta semplicemente accennare che tali Numeri Quantici sono 4 e per l'esattezza:
--- 1) il principale n
--- 2) il secondario o orbitale l
--- 3) il magnetico m
--- 4) quello di spin o rotazionale

Questi numeri ci danno informazioni sugli elettroni- riguardo:
- la loro energia e quanti ce ne possono stare per livello (il primo ne ha sempre solo 2),
- la forma e la grandezza degli orbitali del sottolivello (4 tipi di orbitali diversi; s, p, d, f),
- l'orientamento magnetico (perché gli elettroni- essendo una carica elettrica in movimento creano anche un campo magnetico)
- il movimento rotatorio su loro stessi o spin (perché gli elettroni- ruotano anche su se stessi come la Terra)

Numeri Quantici e probabilità di presenza dell'elettrone-









   Livelli energetici (7) e quantità massime di elettroni per ogni livello, oltre all'ordine di riempimento indicato dalle frecce  (da notare che ogni singola casella può avere al massimo 2 elettroni-)                                                                     

Tipi, forme e orientamento di orbitali:
"s" che è sferico
"p" che è a 2 lobi
"d" che è a 4 lobi
"f" che è a 8 lobi





Tralasciando i legami chimici che qui non serve affrontare, un accenno alle molecole.



Le molecole sono gruppetti di atomi legati gli uni agli altri attraverso speciali legami detti legami chimici. I legami si possono creare proprio perché le particelle di cui sono fatti gli atomi sono elettriche, cioè hanno la proprietà di attrarsi, e quindi di legarsi.                                                                                                                                                                                                                                                                 
                                                                                         
la semplice molecola dell'acqua, H2O
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
la grandissima e complessa molecola del DNA, il "codice della vita"



Un ultima curiosità...

            Ma si può fotografare l'atomo?               (rielaborazione di un articolo dal blog Warp Drive)
                                                                                                                                                 
Sotto, l'evoluzione, negli anni, della ricerca sulla struttura e dinamica dell'atomo, arrivando al 1925 con la definizione di elettrone- come "onda".
                           




Per chi non lo sapesse, l'atomo è invisibile a occhio nudo perché microscopico, ma ci vogliono microscopi molto potenti per avvicinarsi. E' difficile anche averne una fotografia poiché, secondo il principio di Heisenberg, non è possibile avere contemporaneamente sia la posizione che la velocità dell'elettrone-; in pratica nel momento in cui tenti di fotografarlo, è già in un'altra posizione.                                                                                                                                                                                                               
                                                                                                                                  
Per Fotografare un Atomo si deve determinare la sua posizione e la sua velocità in un dato tempo. Immortalarlo in pratica... per fare ciò sarebbe necessario bombardarlo con un fotone e aspettare una risposta dal sistema. Ma, al momento in cui si colpisce un atomo con un fotone, esso acquista energia... variando di conseguenza la sua velocità... e quindi cambiando posizione... insomma, sfugge sempre all'obiettivo della nostra "macchina fotografica atomica".
                                                                                                                          Al microscopio a scansione elettronica è possibile sì "fotografare", ma si tratta di una rappresentazione "equivalente" della disposizione di atomi e particelle e non di una scena direttamente ripresa dalla realtà, come la vedremmo noi con i nostri occhi, per intenderci, se ce ne fosse la possibilità.
                                                                                                                             In pratica sono fotografie particolari, non fatte con i fotoni della luce come siamo abituati a vederne abitualmente (dalla interazione dell'oggetto con i fotoni della luce raccogliamo i fotoni riflessi, così come, quando guardiamo qualcosa, la nostra retina è colpita dai fotoni riflessi da un oggetto), ma con fasci di elettroni-.                                                         


Un fascio di elettroni- viene diffratto (scomposto) come se fosse un fascio di fotoni. Quindi l'elettrone- si comporta come se fosse un'onda elettrica.




                                                                                                                                                                                                                              Si può quindi fotografare un atomo?                                                                                                       

Sí, si può, ma non nella maniera convenzionale delle foto che siamo abituati a vedere, per cattura dei fotoni di rimbalzo.

Diciamo che non è possibile vederlo... ''dal vivo''. Se vedo qualcuno attraverso un cannocchiale, diciamo che lo vedo "letteralmente"; se lo vedo in televisione, probabilmente diremmo che non lo vedo "letteralmente". Si tratta in entrambi i casi di utilizzare un mezzo tecnologico che in qualche modo rende visivamente accessibile l'informazione che senza di esso sarebbe persa. Lo stesso per l'atomo; dire quanto stia vedendo qualcosa e quanto stia interpretando certe cose che vedo come indici della presenza dell'atomo è difficile.
                                                                                                                          "Vedere" cosa c'e' in un atomo lo si può fare solo in maniera indiretta, utilizzando dei metodi che non sono quelli ordinari come il microscopio: vengono infatti usati gli acceleratori di particelle che frantumano l'atomo nei suoi componenti fondamentali.                                                                                                                                   

                                                                                                                            Qui sopra la prima "foto" (elaborazione processata) di un atomo di Idrogeno H.
                                                                                                                                                                                         
                            differenze tra "orbite" ed "orbitali"                                                                                                                                                              orbite
- ad esempio quelle di un satellite
- aree semplicemente bidimensionali
- come i pianeti del Sistema Solare attorno al Sole, classica ripetitiva orbita planetaria
                                                     orbitali
                                                                                                                          - pattern di energia che vibra in posizione probabilistica (un volume in cui la probabilità di trovare l'elettrone- è maggiore di altri volumi)
- volumi percorsi da elettroni-
- l'elettrone- ha un moto molto più complesso di un'orbita planetaria, si muove in uno spazio 3D probabilistico corrispondente ad un livello energetico                                                                                                                                                                             
                                                                                                              
Un atomo non è più una pallina, una massa con dei satelliti intorno, come ci avevano insegnato a scuola. E' qualcosa di più simile a energia condensata, che vibra e che in qualche modo interagisce con l'esterno con le stesse vibrazioni. Tutte le particelle a livello quantico non sono più delle "masse", soggette alle leggi della fisica classica, ma sono, come i fotoni per esemplificare, allo stesso tempo particelle e vibrazioni energetiche. Le orbite non sono più delle circonferenza, ma diventano orbitali che sono la superficie di una sfera, o quasi...Chiamiamole gusci, involucri o più semplicemente, orbitali...
                                                                                                                                     Esistono dei microscopi elettronici a trasmissione tanto potenti da "vedere" il singolo atomo (e anche uno dei più piccoli: il litio!):                                          sono detti HRTEM (high resolution transmission electron microscope) e alcuni di essi arrivano alla risoluzione di 0.5 A (cioè mezzo angstrom; gli atomi hanno raggi compresi tra 0.25 e 3 A).                                                                                                                                    


Eccoci qui, siete ancora vivi?
Forza dite la verità che non è stata poi una parentesi così faticosa; in fondo sono concetti di base che però, riletti anche in seguito oppure ogni volta che vi fa comodo, tornano infinitamente utili per accedere ad argomenti più avanzati di astronomia senza sentirsi persi in pieno deserto.

Nel prossimo post, a un passo ormai dal culmine di questa serie sull'Evoluzione Stellare, trattiamo separatamente ma anche sinteticamente un argomento che non si può tralasciare, facendo parte integrante della chimica dell'atomo.





"Siamo polvere di stelle" 1/4 - gli elementi del corpo umano e della Terra
"Siamo polvere di stelle" 2/4 - approfondimento sugli elementi del corpo umano
"Siamo polvere di stelle" 3/4_B - Tavola Periodica degli Elementi
"Siamo polvere di stelle" 4/4 - Evoluzione Stellare: le Stelle come fucine degli elementi





articolo della BBC sull'atomo
http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6914175.stm
“Il Tao della Fisica” di Fritjof Capra
“La Fisica del Futuro” di Kaku Michio

https://fisica1at.jimdo.com/archivio/lezioni-di-gennaio-2014/lezione-19-la-costituzione-della-materia/
http://slideplayer.it/slide/5476266/
https://sites.google.com/site/marelv83/materializzare-energia
http://slideplayer.it/slide/575345/

eccezionale conferenza a slide sulla chimica delle stelle
http://www.ac-ilsestante.it/storia/2016/chimica/chimica1.htm



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