Gli ioni

La parola "ione" deriva dal greco ion, participio presente di ienai "andare", quindi "andante". "Anione" e "catione" significano "andante in su" e "andante in giù", mentre "anodo" e "catodo" significano "verso l'alto" e "verso il basso".

Attorno al 1830 alcuni esperimenti condussero Michael Faraday (foto a sinistra) alla scoperta della presenza di cariche elettriche nella materia. Poichè essa è formata da atomi, questi esperimenti confermano la presenza di atomi carichi positivamente e altri carichi negativamente. Tali atomi vengono chiamati ioni, quelli positivi vengono detti cationi, quelli negativi anioni.

Per atomi singoli nel vuoto, esiste una costante fisica associata al processo di ionizzazione. L'energia richiesta per rimuovere gli elettroni da un atomo è chiamata energia di ionizzazione o potenziale di ionizzazione. Questi termini sono usati anche per descrivere la ionizzazione di molecole e solidi, ma i valori non sono costanti, poiché la ionizzazione è influenzata dai legami chimici locali, dalla geometria e dalla temperatura.

La scoperta del neutrone

Nei primi anni del XX secolo si riteneva che la materia fosse costituita da atomi, a loro volta costituiti da elettroni e protoni. Dal momento che queste particelle avevano carica elettrica uguale ma di segno contrario, gli elettroni avevano carica positiva, mentre i protoni carica negativa, si era perciò convinti che l’atomo, che era elettricamente neutro, contenesse lo stesso numero di protoni e di elettroni in modo che le cariche si annullassero a vicenda.

Nel 1930, il tedesco Walter Wilhelm Bothe, analizzando una radiazione secondaria ottenuta inviando raggi alfa ottenuti dal polonio su una lamina di berillio, scoprì che la radiazione era composta da particelle prive di carica elettrica.

Nel 1932 l’inglese James Chadwich, dimostrò che la radiazione secondaria ottenuta da Bothe era sempre formata da particelle con massa uguale, indipendentemente dal materiale utilizzato, a queste particelle venne dato il nome di neutroni, esse sono prive di carica elettrica.

La massa del neutrone è 1,675 X 10-27 kg, quasi uguale a quella del protone, perciò era chiaro che il neutrone non poteva essere formato dall’unione di un protone con un elettrone.

Possiamo perciò affermare che gli atomi contengono tre tipi di particelle principali, i neutroni, gli elettroni e i protoni.

La scoperta dell'elettrone

Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un solo grammo di materia! La sua massa è infatti: me = 9.1 × 10-28 g
Il raggio dell'elettrone è così piccolo che non si è ancora riusciti a misurarlo; per questo diciamo che è puntiforme. Sappiamo inoltre che è privo di struttura interna, cioè è una particella fondamentale in quanto non composta da altre più piccole. Nell'uso comune, l'elettrone viene abbreviato con il simbolo "e-" e la sua carica elettrica per convenzione è negativa. La carica dell'elettrone viene identificata come carica elementare. In questo modo, la carica di tutte le altre particelle viene riferita a quella dell'elettrone: la carica elettrica di una particella è sempre un multiplo intero o una frazione, segno a parte, della carica elementare.
Nel 1904 Sir Joseph John. Thomson (1856-1940 ), mentre studiava la conduzione elettrica nei gas (premio Nobel per la fisica nel 1906), scoprì che, facendo passare delle scariche elettriche attraverso un gas molto rarefatto contenuto in un tubo di vetro, si producevano raggi luminescenti proveniente dal catodo (elettrodo negativo), chiamati perciò raggi catodici. Thomson comprese che i raggi erano composti da particelle dotate di carica elettrica negativa e di massa piccolissima, uguali fra loro qualunque fosse il gas usato: le particelle così prodotte vennero chiamate elettroni.
Si scoprì in seguito che, nello stesso esperimento, si produceva anche un fascio di particelle aventi carica elettrica positiva. Il fascio positivo aveva una direzione di moto opposta al precedente e venne perciò chiamato fascio di raggi anodici.
Le particelle che componevano questo fascio non erano sempre uguali: la loro massa e quantità di carica trasportata dipendevano dal gas usato. Queste particelle furono chiamate ioni (il più piccolo di questi ioni si otteneva usando il gas idrogeno).
Thomson capì di trovarsi di fronte a “parti di atomi” e ipotizzò che l’atomo non fosse indivisibile come fino allora si credeva. Thomson trovò che le dimensioni dell’elettrone dovessero essere dell’ordine di 10-14 metri, mentre quelle di un atomo risultavano dell’ordine di 10-10 metri; ipotizzò quindi che lo spazio in cui non si trovavano gli elettroni fosse in parte occupato da particelle cariche positivamente e in parte da altra massa atomica.
Propose pertanto un modello di atomo, nel 1906, in cui le cariche negative erano immerse in una sfera positiva ed erano tra loro bilanciate.

La scoperta del protone

Servendosi di un catodo perforato Goldsein scoprì che oltre ai raggi catodici prendevano corpo anche raggi di un’altra specie. Tali raggi si muovevano in direzione opposta a quella dei raggi catodici, il che autorizzava ad ammettere che essi erano costituiti da particelle cariche positivamente in quanto le particelle che costituivano i raggi catodici erano cariche negativamente.
Sfruttando metodi particolari, si dimostrò che il minimo valore del rapporto massa/carica nei raggi positivi si otteneva quando il gas residuo nel tubo catodico era costituito da idrogeno. La particella positiva formata in queste circostanze possedeva un rapporto massa/carica 1836 volte maggiore di quello dell’elettrone. Inoltre tutti i rapporti massa/carica, erano multipli del rapporto massa/carica misurato per l’idrogeno.
Questa particella, a cui è stato dato il nome di protone e la cui massa è di 1,673 X 10-27 kg., è un costituente fondamentale dell’atomo, nonché la portatrice elementare della carica positiva,
Il numero di protoni, o di elettroni, è ciò che caratterizza in maniera determinante le proprietà chimiche e fisiche di un elemento chimico. Tale numero viene chiamato numero atomico (N.A.) di un elemento.

Spettroscopia

La misura e lo studio di uno spettro viene chiamato spettroscopia, e per spettro intendiamo la gamma di colori che possiamo osservare quando la luce bianca viene dispersa mediante un prisma, e con la scoperta della natura ondulatoria della luce, questo termine venne riferito all’intensità della luce in funzione della sua frequenza e lunghezza d’onda.
Oggi il termine spettro è riferito a un flusso di particelle in funzione della loro energia, lunghezza d’onda, frequenza o massa.
Uno strumento che permette di misurare uno spettro viene chiamato spettrometro, spettrografo o spettrofotometro.

William Crookes

William Crookes, chimico e fisico britannico, nacque a Londra il 17 giugno 1832. Questi compì ricerche in numerosi campi della fisica e della chimica.
Nel 1861, grazie all’analisi spettroscopica, riesce a individuare e a isolare, un nuovo elemento che aveva la caratteristica di emettere un raggio di colore verde intenso nello spettro elettromagnetico; e per questa sua particolarità che è stato chiamato tallio, dal greco germoglio verde.
Per determinare il peso atomico del tallio, Crookes si interessa della produzione dei vuoti spinti, ed è questo aspetto delle sue ricerche che lo spinge a interessarsi allo studio dei raggi catodici, che ora sappiamo essere dei semplici flussi di elettroni, e allo sviluppo di tecniche capaci di produrre vuoti pari anche a un milionesimo di atmosfera. Sappiamo dunque che questi particolari raggi viaggiano in linea retta, producono fluorescenza nel vetro di cui sono costituiti i tubi catodici nei quali avviene la produzione stessa dei raggi, e sono sensibili all’azione di un campo magnetico. Crookes sostiene inoltre che la natura dei raggi catodici sia corpuscolare e non ondulatoria.
Lo scienziato inglese si occupa tra le altre cose anche di ricerche scientifiche in ambito commerciale e tecnologico, dalla produzione di zucchero all’illuminazione elettrica, dai fertilizzanti azotati alla telegrafia senza fili.
Il 4 aprile del 1919 William Crookes muore a Londra.

L'atomo

Tutte le sostanze sono costituite da piccole particelle: gli atomi. Gli atomi sono così piccoli che in una capocchia di spillo ve ne sono 60 miliardi.

Sono stati i greci i primi a pensare che la materia fosse composta di particelle. A loro volta, gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole: i protoni, i neutroni e gli elettroni. I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni negativa e i neutroni non hanno carica.

La struttura dell’atomo
Il cuore di un atomo è formato da un nucleo che è molto piccolo

rispetto all'atomo, ma ne contiene quasi tutta la massa. Le particelle

che lo compongono sono i protoni e i neutroni.
Il numero dei protoni del nucleo è il numero atomico di un elemento;

quello di protoni e dei neutroni insieme indica, invece, il numero di massa.
Gli elettroni, che sono esterni al nucleo, sono numericamente uguali ai

protoni, ma hanno una massa molto piccola.