1. Esplora

Qual è la struttura dell'atomo?

L'atomo è la parte più piccola della materia che possiede proprietà chimiche. In 1 grammo di idrogeno ci sono 6,022⋅10^23 atomi. Esso contiene tre tipi di particelle elementari che costituiscono la materia. I protoni (particelle elettricamente cariche positivamente) e i neutroni (particelle neutre elettricamente cariche positivamente) sono racchiusi nel nucleo, mentre gli elettroni più piccoli (particelle cariche negativamente) orbitano attorno ad esso. La massa dell'atomo è la somma delle masse di queste particelle, ma poiché gli elettroni sono più leggeri, solo lo 0,06% della massa dell'atomo è elettronica.
Tuttavia, gli elettroni conferiscono all'atomo tutte le sue proprietà chimiche. Il numero di elettroni è il Numero Atomico dell'elemento. La Meccanica Quantistica ci dice che gli elettroni nell'atomo possono avere solo alcune energie in modo discreto.
L'energia del livello n-esimo è data dalla formula

dove h è la costante di Planck, c è la velocità della luce, R_∞ è la formula di Rydberg e Z è il Numero Atomico dell'atomo.

Quando un elettrone passa da un livello di energia superiore a uno inferiore, emette un quanto di energia elettromagnetica (un fotone). L'energia è la differenza tra le energie dei livelli coinvolti e viene emessa con una frequenza f data dalla formula

dove E₂ è l'energia del livello superiore (cioè il livello di partenza dell'elettrone) e E₁ è l'energia del livello inferiore (cioè il livello di destinazione).

Questo tipo di emissione è chiamato spontanea o emissione radiativa.

Per comprendere pienamente la dinamica di questo tipo di emissione è importante ricordare alcune caratteristiche della costituzione dell'atomo.

Gli elettroni obbediscono alle leggi della Meccanica Quantistica che ci dicono che

• non possiamo determinare posizione e quantità di moto delle particelle con precisione infinita (Principio di Indeterminazione di Heisenberg)
• possiamo solo conoscere la probabilità di trovare una particella in una certa posizione nello spazio tramite l'uso dell'equazione di Schroedinger. Le soluzioni di questa equazione ci danno la probabilità in funzione delle coordinate spaziali. Di conseguenza possiamo visualizzare la zona dello spazio dove la probabilità di interazione con una particella non è trascurabile.

Nel caso degli elettroni nell'atomo, le soluzioni dell'equazione di Schroedinger sono chiamate orbitali.

Il Principio di Esclusione di Pauli permette solo a due elettroni (uno per ciascuna direzione della proprietà elettronica chiamata spin) di occupare un orbitale, cioè di soddisfare le condizioni dell'equazione di Schroedinger.

La struttura dei livelli energetici dell'atomo e le transizioni tra di essi dipendono da queste regole.