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Teoria atomica moderna

1808
  • John Dalton
  • J.J. Thomson
  • Ernest Rutherford
  • Niels Bohr
Laboratorio del XIX secolo con scienziati che studiavano la struttura atomica e le reazioni chimiche.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La teoria atomica postula che tutta la materia sia composta da unità discrete chiamate atomi. Un elemento è costituito da atomi con un numero specifico di protoni nel nucleo. Sebbene un tempo fossero considerati indivisibili, ora si sa che gli atomi sono composti da particelle subatomiche: protoni, neutroni ed elettroni. Le reazioni chimiche comportano la riorganizzazione di questi atomi, che si conservano durante il processo.

La moderna concezione dell'atomo è il risultato di una serie di scoperte rivoluzionarie che hanno perfezionato i concetti iniziali. La teoria di John Dalton dell'inizio del XIX secolo ha fornito il primo quadro scientifico, postulando che gli elementi fossero costituiti da atomi identici e indivisibili e che i composti fossero combinazioni di questi atomi in rapporti fissi. Questo spiegava le leggi di conservazione della massa e proporzioni definite. Tuttavia, la scoperta dell'elettrone da parte di J.J. Thomson nel 1897 dimostrò che gli atomi erano divisibili. Egli propose il modello del ‘budino di prugne’, con gli elettroni inseriti in una sfera di carica positiva.

Questo modello fu ribaltato dall'esperimento di Ernest Rutherford sulla lamina d'oro nel 1909. Sparando particelle alfa su una sottile lamina d'oro, Rutherford osservò che, mentre la maggior parte di esse passava attraverso, alcune venivano deviate con ampi angoli. Ciò implicava un nucleo piccolo, denso e carico positivamente, che portò al suo modello planetario dell'atomo, con gli elettroni in orbita attorno al nucleo. Nel 1913 Niels Bohr perfezionò questo modello incorporando le idee quantistiche, proponendo che gli elettroni esistessero in livelli di energia o orbite specifiche e quantizzate. Questo modello spiegò con successo gli spettri di emissione dell'idrogeno. L'ultima grande evoluzione è stata lo sviluppo della meccanica quantistica negli anni Venti da parte di Schrödinger, Heisenberg e altri. Nell'attuale modello quantomeccanico, gli elettroni non hanno orbite fisse ma esistono in distribuzioni di probabilità chiamate orbitali, descritte da funzioni d'onda. Questo sofisticato modello è alla base della comprensione dei legami chimici, della reattività e delle proprietà di tutta la materia.

UNESCO Nomenclature: 2201
- Fisica atomica e molecolare

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • concetto greco di ‘atomos’ (Democrito, Leucippo)
  • legge di conservazione della massa (Lavoisier)
  • legge delle proporzioni definite (Joseph Proust)
  • legge delle proporzioni multiple (John Dalton)

Applicazioni

  • sviluppo della tavola periodica
  • comprendere il legame chimico e la struttura molecolare
  • energia nucleare e armi
  • nanotecnologia
  • tecnologia dei semiconduttori ed elettronica
  • spettroscopia per l'analisi dei materiali

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • produzione atomicamente precisa (apm) per la costruzione di strutture complesse atomo per atomo
  • calcolo quantistico che sfrutta gli stati quantistici di singoli atomi o particelle subatomiche
  • medicina personalizzata utilizzando sensori a livello atomico per rilevare biomarcatori in tempo reale
  • next-generation catalizzatori designed with atomic precision for 100% selectivity
  • supporti di memorizzazione dati ultradensi che utilizzano gli stati di spin dei singoli atomi
  • self-assembling nanomaterials for electronics and medicine
  • materiali con proprietà programmabili basate su disposizioni atomiche controllate
  • reattori di energia da fusione che manipolano i nuclei atomici
  • sensori ambientali in grado di rilevare singoli atomi di un inquinante
  • sistemi crittografici avanzati basati sulle proprietà quantistiche degli atomi
Correlato a: atomo, teoria atomica, John Dalton, nucleo, protone, neutrone, elettrone, meccanica quantistica, particelle subatomiche, elemento chimico.

Contesto storico

Pannello di controllo HVAC che mostra le letture dell'umidità assoluta nelle applicazioni di termodinamica.

Umidità assoluta

L'umidità assoluta ([latex]d_v[/latex]) è la massa totale di vapore acqueo ([latex]m_{H_2O}[/latex]) presente in un determinato volume d'aria ([latex]V_{air}[/latex]). Si esprime in grammi di vapore acqueo per metro cubo d'aria ([latex]g/m^3[/latex]). La formula è [latex]d_v = \frac{m_{H_2O}}{V_{air}}[/latex]. A differenza dell'umidità relativa, non dipende dalla temperatura dell'aria, ma è influenzata dalle variazioni di pressione o volume dell'aria.
Esperimento di Johann Wilhelm Ritter con la luce ultravioletta e la carta al cloruro d'argento in ottica.

Radiazioni ultraviolette

Nel 1801, Johann Wilhelm Ritter osservò che i raggi invisibili oltre l'estremità violetta dello spettro solare scurivano la carta imbevuta di cloruro d'argento più rapidamente della luce violetta stessa. Ciò dimostrò l'esistenza di una forma di luce oltre lo spettro visibile, che chiamò "raggi ossidanti" in contrasto con i "raggi termici" (infrarossi) scoperti l'anno precedente.
Apparecchio in vetro che dimostra la legge di Charles in un ambiente di laboratorio d'epoca.

Legge di Charles (legge Vol-Temp)

Conosciuta anche come legge del volume-temperatura o legge dei volumi, la legge di Charles afferma che per una massa fissa di un gas ideale a pressione costante, il volume che occupa è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. Si esprime come [latex]V \propto T[/latex] o [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]. Spiega la tendenza dei gas a espandersi quando vengono riscaldati in condizioni isobariche (pressione costante).

Teoria atomica moderna

Configurazione di laboratorio che dimostra la legge di Avogadro nella chimica fisica con misurazioni dei gas.

Legge di Avogadro

La legge di Avogadro afferma che volumi uguali di tutti i gas, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole. Questo stabilisce una proporzionalità diretta tra il volume di un gas e la quantità di sostanza (numero di moli). La relazione matematica è espressa come [latex]V \propto n[/latex] o, più comunemente, come [latex]V/n = k[/latex], dove k è una costante.
Motore Stirling che dimostra i principi della termodinamica in un ambiente di laboratorio.

Ciclo Stirling

Il ciclo Stirling ideale è un ciclo termodinamico rigenerativo chiuso che comprende quattro processi distinti: espansione isotermica, rimozione isocora del calore, compressione isotermica e aggiunta isocora del calore. Il fluido di lavoro è contenuto in modo permanente. La sua efficienza termica teorica è pari all'efficienza del ciclo di Carnot, data da [latex]\eta_{th} = 1 - \frac{T_C}{T_H}[/latex], dove [latex]T_H[/latex] e [latex]T_C[/latex] sono le temperature assolute dei serbatoi caldo e freddo.
Ricercatore che studia la dinamica dei fluidi in un laboratorio del XIX secolo, concentrandosi sul presupposto del continuo.

Ipotesi del continuum

L'ipotesi del continuo tratta i fluidi come materia continua piuttosto che come molecole discrete. Questa semplificazione è valida quando la scala di lunghezza del problema è molto più grande della distanza intermolecolare, consentendo di definire proprietà come densità e velocità in punti infinitesimamente piccoli. Ciò consente l'uso di equazioni differenziali per descrivere il comportamento macroscopico del flusso di fluidi.
1800
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1816-11-16
1820
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Pila Voltaica che dimostra la forza elettromotrice in collegamento in serie con celle di zinco e rame.

Forza elettromotrice e collegamento in serie

La pila di Voltaic ha stabilito il principio della somma delle tensioni collegando in serie le celle elettrochimiche. Ogni coppia zinco-rame, o cella, genera una forza elettromotrice (EMF) caratteristica di circa 0,76 volt. Impilando fisicamente queste celle, Volta dimostrò che la tensione totale attraverso la pila è la somma dei singoli campi elettromagnetici di ciascuna cella, come descritto da [latex]V_{totale} = n \times V_{cell}[/latex].
Configurazione di comunicazione radio che illustra le zone di Fresnel per l'analisi della propagazione delle onde.

Zona di Fresnel

Una zona di Fresnel è una di una serie di regioni ellissoidali confocali prolate nello spazio tra un trasmettitore e un ricevitore. Il confine della zona primaria è l'ellissoide in cui la lunghezza del percorso dal trasmettitore a un punto sulla superficie fino al ricevitore è di mezza lunghezza d'onda maggiore del percorso diretto, causando uno sfasamento di 180 gradi.
Pentola a pressione e bomboletta spray che illustrano la legge di Gay-Lussac in termodinamica.

Legge di Gay-Lussac (legge pressione-temperatura)

Noto anche come legge di Amontons, questo principio afferma che per una massa fissa di un gas ideale a volume costante, la sua pressione è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. La relazione è espressa matematicamente come [latex]P \propto T[/latex] o come confronto tra due stati, [latex]\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}[/latex]. Questo descrive il comportamento del gas in condizioni isocore (volume costante).
Apparecchio per la miscelazione dei gas in un laboratorio d'epoca per applicazioni termodinamiche.

Legge di Dalton delle pressioni parziali

La legge di Dalton afferma che in una miscela di gas non reagenti, la pressione totale esercitata è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas. La pressione parziale di un gas è la pressione che eserciterebbe se occupasse da solo l'intero volume alla stessa temperatura. La formula è [latex]P_{text{total}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].
Polarizzazione degli elettrodi in un esperimento sulla pila di Volta che dimostra la formazione di idrogeno gassoso.

Limitazione della polarizzazione dell'elettrodo

Uno dei principali difetti della pila di Volta è la polarizzazione degli elettrodi. Durante il funzionamento, l'idrogeno gassoso prodotto dal catodo di rame forma uno strato isolante di bolle sulla sua superficie. Questo strato aumenta la resistenza interna della batteria e riduce la superficie disponibile per la reazione. Di conseguenza, la tensione e la corrente in uscita dalla pila diminuiscono significativamente poco dopo l'inizio dell'utilizzo.
Configurazione sperimentale per la misurazione della velocità del suono in un gas perfetto in acustica.

Velocità del suono in un gas perfetto

La velocità del suono ([latex]c[/latex]) in un gas perfetto è determinata dalle sue proprietà termodinamiche, non dalla sola pressione o densità. La formula è [latex]c = \sqrt{\gamma R_s T}[/latex], dove [latex]\gamma[/latex] è il rapporto di capacità termica ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] è la costante specifica del gas e [latex]T[/latex] è la temperatura assoluta. Pertanto, il suono viaggia più velocemente in un gas più caldo.
Matrice rigeneratrice di un motore Stirling che dimostra l'accumulo di energia termica nella termodinamica.

Rigeneratore-economizzatore del motore Stirling

Il rigeneratore, o "economizzatore", è il contributo più significativo di Robert Stirling e la chiave dell'elevata efficienza del motore. Si tratta di uno scambiatore di calore interno che immagazzina e rilascia temporaneamente energia termica durante il ciclo. Quando il gas caldo si sposta verso il lato freddo, deposita calore nella matrice del rigeneratore, che viene poi assorbito dal gas freddo nel suo viaggio di ritorno verso il lato caldo.
Macchina per prove di trazione che misura lo stress e la deformazione nella fisica dello stato solido.

Stress and Strain

La sollecitazione ingegneristica ([latex]\sigma[/latex]) è il carico applicato diviso per l'area della sezione trasversale originale ([latex]A_0[/latex]), mentre la deformazione ingegneristica ([latex]\epsilon[/latex]) è la variazione della lunghezza ([latex]\Delta L[/latex]) divisa per la lunghezza originale ([latex]L_0[/latex]). Queste definizioni, [latex]\sigma = \frac{F}{A_0}[/latex] e [latex]\epsilon = \frac{Delta L}{L_0}[/latex], sono fondamentali per tracciare le curve sforzo-deformazione, ma presuppongono che le dimensioni del provino rimangano costanti durante la prova.

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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