Modello atomico di Rutherford: caratteristiche e postulati

Nel 1911, lo scienziato neozelandese Ernest Rutherford, vincitore del Premio Nobel per la chimica nel 1908 per i suoi studi sulle sostanze radioattive, rivoluzionò la scienza proponendo un nuovo modello atomico. I suoi contributi sono stati vari e noti.

Inizialmente, i suoi studi con i raggi X nei gas hanno supportato gli argomenti di JJ Thomson nella scoperta dell’elettrone. Un altro dei suoi contributi è stato derivato dai suoi studi sulla radioattività dell’uranio e di altri elementi, che gli hanno permesso di rilevare tre tipi di radiazioni: raggi alfa (α), raggi beta (β) e raggi gamma (γ). Da quel momento in poi, con l’aiuto dei suoi assistenti, presso l’Università di Manchester, ha condotto gli esperimenti che lo hanno portato a formulare i postulati del suo modello atomico. Per le sue scoperte e contributi, Rutherford è considerato il padre della fisica nucleare.

Modello atomico di Rutherford

Per facilitare la comprensione del modello atomico di Rutherford, è conveniente rivedere alcune delle sue scoperte sul fenomeno della radioattività. Rutherford e il chimico Frederick Soddy, nel 1902, stabilirono che i materiali radioattivi, emettendo radiazioni, vengono trasformati in altri materiali. Questi possono provenire da un altro elemento o dallo stesso. Hanno anche concluso che l’atomo non poteva più essere considerato indivisibile.

L’esperimento della “foglia d’oro” di Rutherford, condotto con i suoi assistenti Geiger e Marsden nel 1909, lo portò a concludere che il modello atomico di Thomson era sbagliato. Joseph John Thomson concepì l’atomo come una sfera con una carica positiva distribuita in tutto il suo volume. Era un modello solido e statico, che poteva essere visualizzato come una sorta di “budino con uvetta”. Qui, particelle caricate negativamente chiamate “elettroni” erano sparse intorno a questa sfera, secondo un certo ordine.

L’esperimento che ha dato origine al modello atomico di Rutherford

Questo scienziato ha utilizzato una sorgente radioattiva (polonio) per emettere radiazioni alfa e bombardare un sottile foglio di metallo (oro, spessore 100 nm). Le particelle alfa colpiscono una lastra fotografica dopo essere passate attraverso la lastra di metallo. Quando hanno superato la piastra metallica, le particelle alfa si sono comportate in questo modo: la maggior parte è passata senza cambiare direzione (come se stesse attraversando un buco) e alcune particelle hanno rimbalzato in direzioni diverse. Anche alcune particelle sono state restituite nella direzione opposta all’incidenza. Questi dettagli potrebbero essere osservati grazie al fatto che il grado di deviazione viene registrato sulla lastra fotografica quando le particelle entrano in collisione con essa. Rutherford si rese conto che se solo alcune particelle alfa deviavano, allora l’atomo doveva avere un nucleo denso, caricato positivamente, e quindi è in grado di respingere particelle alfa che sono anche caricate positivamente.

Caratteristiche

• Nel modello atomico di Rutherford, le particelle che componevano l’atomo erano: elettroni con carica negativa e protoni con carica positiva.
• Le sue conclusioni lo hanno portato a introdurre per la prima volta il concetto di nucleo dell’atomo. Cioè, l’atomo, per come lo vedeva lui, era una specie di sfera quasi vuota e la sua dimensione è molto più grande del nucleo. Rutherford osservò che pochissime particelle alfa andavano alla deriva, come se rimbalzassero. Ecco perché ha dedotto che il volume occupato dalle particelle positive dell’atomo è minimo, rispetto al volume totale.
• Pensava che i protoni fossero concentrati nel nucleo mentre gli elettroni si muovevano in orbite attorno ad esso, sostenuti dall’attrazione elettrica di cariche opposte.
• Rutherford concluse che la massa dell’atomo era praticamente concentrata nel nucleo. Il suo modello è considerato dinamico e vuoto.

Ma la sua teoria del nucleo con la sola presenza di protoni, non poteva spiegare molti fenomeni, perché dava per scontato che fosse molto instabile, data la carica altamente condensata che assumeva. Nel 1920, ha sollevato la possibilità di una particella nucleare neutra, essenziale affinché il nucleo atomico abbia stabilità. E così, un decennio dopo, una nuova particella fu scoperta proprio come aveva predetto, a cui fu dato il nome di “neutrone”.

Postulati

• L’atomo ha un nucleo centrale caricato positivamente, che concentra quasi tutta la sua massa (99,9%). L’atomo è per lo più vuoto, il che spiega perché il maggior numero di particelle alfa è passato attraverso la lamina d’oro senza deviare.
• I protoni caricati positivamente sono concentrati nel nucleo, mentre gli elettroni caricati negativamente ruotano attorno ad esso in orbite circolari, proprio come fanno i pianeti intorno al Sole. Questo postulato spiega perché le particelle alfa (caricate positivamente) quando si avvicinano al nucleo hanno deviato, quindi, come le cariche respingono l’un l’altro.
• L’atomo è elettricamente neutro. Il numero di elettroni è uguale e la carica elettrica è opposta al numero di protoni nel nucleo. Pertanto, la somma delle cariche elettriche negative degli elettroni è uguale alla somma delle cariche positive del nucleo.
• Gli elettroni ruotano sul nucleo, compensando l’attrazione elettrostatica, prodotta dalla differenza di cariche rispetto al nucleo.
• Ha proposto che il nucleo dovrebbe essere composto da altre particelle di carica neutra che spiegano la sua enorme massa, che non corrisponde solo al numero di protoni che ha.

Contributi

Il modello atomico di Rutherford creò nuove sfide per la comunità scientifica dell’epoca. Predisse la scoperta di nuove particelle subatomiche la cui esistenza fu successivamente dimostrata. Gli scienziati sono stati in grado di determinare il numero di protoni (o numero atomico) di ogni elemento chimico finora noto.

Sebbene le scoperte scientifiche che seguirono, portarono all’emergere di nuovi modelli che spiegano la conformazione e il comportamento dell’atomo, il modello del Sistema Solare di Rutherford-Bohr è quello che è profondamente penetrato nella cultura popolare. È ancora considerato un modo semplice per spiegare come funziona l’atomo per quanto ne sappiamo.

Limitazioni

Proprio come Rutherford concepì per la prima volta il nucleo dell’atomo, contraddiceva alcune leggi della fisica classica, poiché non ne spiegava la stabilità. Secondo la teoria di Maxwell, quando gli elettroni ruotano, vengono accelerati e dovrebbero emettere radiazioni elettromagnetiche, perdendo energia. Di conseguenza, dovrebbero raggiungere il nucleo in breve tempo.

Il modello di Rutherford non spiega come gli elettroni abbiano orbite stabili attorno al nucleo e perché gli atomi abbiano i propri spettri di emissione discreti.