Modello atomico
La maggior parte della materia consiste in un agglomerato di molecole, che possono essere separate relativamente facilmente. Le molecole, a loro volta, sono composte da atomi uniti da legami chimici che sono più difficili da rompere. Ogni singolo atomo è composto da particelle più piccole, cioè elettroni e nuclei. Queste particelle sono elettricamente cariche, e le forze elettriche sulla carica sono responsabili di tenere insieme l’atomo. I tentativi di separare queste particelle costituenti più piccole richiedono quantità sempre maggiori di energia e portano alla creazione di nuove particelle subatomiche, molte delle quali sono cariche.
Come notato nell’introduzione a questo articolo, un atomo consiste in gran parte di spazio vuoto. Il nucleo è il centro caricato positivamente di un atomo e contiene la maggior parte della sua massa. È composto da protoni, che hanno una carica positiva, e neutroni, che non hanno carica. I protoni, i neutroni e gli elettroni che li circondano sono particelle di lunga durata presenti in tutti gli atomi ordinari e naturali. Altre particelle subatomiche possono essere trovate in associazione con questi tre tipi di particelle. Possono essere create solo con l’aggiunta di enormi quantità di energia, tuttavia, e hanno vita molto breve.
Tutti gli atomi hanno più o meno le stesse dimensioni, che abbiano 3 o 90 elettroni. Circa 50 milioni di atomi di materia solida allineati in fila misurano 1 cm (0,4 pollici). Una comoda unità di lunghezza per misurare le dimensioni atomiche è l’angstrom (Å), definito come 10-10 metri. Il raggio di un atomo misura 1-2 Å. Rispetto alle dimensioni complessive dell’atomo, il nucleo è ancora più minuto. È in proporzione con l’atomo come una biglia con un campo di calcio. In volume il nucleo occupa solo 10-14 metri dello spazio dell’atomo, cioè 1 parte su 100.000. Un’unità di lunghezza conveniente per misurare le dimensioni nucleari è il femtometro (fm), che equivale a 10-15 metri. Il diametro di un nucleo dipende dal numero di particelle che contiene e varia da circa 4 fm per un nucleo leggero come il carbonio a 15 fm per un nucleo pesante come il piombo. Nonostante le piccole dimensioni del nucleo, praticamente tutta la massa dell’atomo è concentrata lì. I protoni sono particelle massicce e cariche positivamente, mentre i neutroni non hanno carica e sono leggermente più massicci dei protoni. Il fatto che i nuclei possano avere da 1 a quasi 300 protoni e neutroni spiega la loro grande variazione di massa. Il nucleo più leggero, quello dell’idrogeno, è 1.836 volte più massiccio di un elettrone, mentre i nuclei pesanti sono quasi 500.000 volte più massicci.
Proprietà di base
La caratteristica più importante di un atomo è il suo numero atomico (solitamente indicato dalla lettera Z), che è definito come il numero di unità di carica positiva (protoni) nel nucleo. Per esempio, se un atomo ha uno Z di 6, è carbonio, mentre uno Z di 92 corrisponde all’uranio. Un atomo neutro ha un numero uguale di protoni ed elettroni in modo che le cariche positive e negative si bilancino esattamente. Poiché sono gli elettroni a determinare come un atomo interagisce con un altro, alla fine è il numero di protoni nel nucleo che determina le proprietà chimiche di un atomo.