Il modello atomico attuale è quello che si basa sulla meccanica quantistica, in particolare sull'equazione di Schrödinger, sul principio di esclusione di Pauli e su una proprietà dell'elettrone chiamata rotazione o rotazione.
È il modello più accettato e utilizzato nello studio della struttura degli atomi, delle molecole e della reattività chimica degli elementi, grazie alla precisione delle sue previsioni e alla sua relativa semplicità..
Questo modello è l'evoluzione di diversi modelli atomici precedenti, come il modello Rutherford e il modello Bohr - Sommerfeld, considerati modelli classici o semi-classici..
Attualmente ci sono modelli teoricamente più completi del modello quantomeccanico di Schrödinger, come il modello di Dirac-Jordan, che incorpora la relatività speciale e si basa sull'equazione delle onde di Dirac. In questa equazione, lo spin, la proprietà degli elettroni menzionata all'inizio, appare naturalmente.
Esistono anche modelli basati sulla teoria quantistica dei campi, applicata alla fisica delle alte energie. Questi modelli sono eccellenti nel prevedere la creazione e l'annientamento di particelle fondamentali, l'obiettivo di questo campo della fisica..
Vale la pena ricordare che le teorie più sofisticate convergono agli stessi risultati dell'equazione di Schrödinger, specialmente per gli atomi leggeri..
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Nella visione attuale dell'atomo, basata sulla meccanica quantistica non relativistica, il concetto di orbite elettroniche nello stile dei sistemi planetari non si adatta.
Tuttavia, l'immagine più diffusa dell'atomo è ancora quella di un nucleo centrale positivo e di alcuni punti di carica elettrica negativa (elettroni), che ruotano in orbite perfettamente definite attorno al nucleo centrale. Ma nonostante le sue radici, non corrisponde più all'attuale modello atomico.
La Figura 2 mostra la vecchia immagine e l'immagine corrente di un atomo di elio nel suo stato di energia più bassa (livello n = 1 el = 0).
L'immagine classica è utile per vedere che il nucleo contiene due protoni e due neutroni. Garantendo la neutralità dell'atomo ci sono due elettroni che occupano lo stesso livello di energia.
Il resto è un'immagine lontana dalla realtà, poiché la scala del nucleo non corrisponde nemmeno a quella dell'atomo: il nucleo è 1/100000 volte la dimensione dell'atomo, ma è lì che si concentra la massa atomica.
La meccanica classica stabilisce che ogni particella materiale ha un'onda associata, chiamata Funzione d'onda. Questo è il famoso dualità onda-particella di Louis De Broglie.
Nell'attuale modello atomico, il comportamento dell'elettrone alla scala degli atomi è prevalentemente ondeggiante, mentre a livello macroscopico, come gli elettroni che si muovono nei tubi catodici dei vecchi televisori, predomina il comportamento corpuscolare..
Con i fotoni invece accade il contrario, nella maggior parte dei fenomeni ottici (a livello macroscopico) hanno un comportamento fondamentalmente ondoso. E quando interagiscono con gli atomi della materia, hanno un comportamento particellare.
Per questo motivo, gli elettroni attorno al nucleo sono sparsi in aree chiamate orbitali atomici, la cui forma ed estensione dipenderanno dal livello di energia degli elettroni e dal momento angolare.
Sia l'energia che il momento angolare dell'elettrone attorno al nucleo hanno determinati valori consentiti, quindi si dice che siano quantizzato.
L'equazione delle onde di Schrödinger prevede quali valori di energia e momento angolare sono consentiti, nonché la funzione d'onda associata a ciascun livello di energia e momento..
Il quadrato matematico della funzione d'onda determina gli orbitali, cioè le aree intorno al nucleo dove si possono trovare gli elettroni con maggiore probabilità.
Per avere un'immagine in scala dell'attuale modello atomico, immaginiamo che un atomo abbia un diametro simile a quello di un campo da calcio. Il nucleo sarebbe come una formica al centro del campo, ma sorprendentemente con il 99,9% della massa atomica.
D'altra parte, gli elettroni sarebbero come giocatori spettrali diffusi in tutto il campo, con una maggiore probabilità di trovarsi a centrocampo..
Ci sono alcuni allineamenti o modi consentiti per occupare il campo, che dipendono dall'energia dei giocatori (gli elettroni) e dalla quantità di "rotazione" o rotazione attorno al centro..
1.- L'elettrone è caratterizzato dalla sua massa m, dal suo spin S e poiché è la particella che trasporta una carica negativa elementare (-e).
2.- Gli elettroni hanno un duplice comportamento, onda-particella simultanea, ma a seconda della loro energia e della portata del fenomeno, uno può essere più preponderante dell'altro..
3.- Gli elettroni circondano il nucleo atomico positivo, in modo tale da garantire la neutralità elettrica dell'atomo. Quindi il numero di elettroni è uguale al numero di protoni; Questo è il numero atomico, che dà le caratteristiche chimiche e fisiche di ogni elemento.
4.- L'interazione tra elettroni e nucleo è modellata dal potenziale V (r) Coulomb elettrostatico, a cui è incorporato il termine energia potenziale nell'operatore hamiltoniano.
5.- Il termine energia cinetica nell'operatore hamiltoniano è un operatore costruito dall'operatore momento lineare, essendo lo stesso:
p = - io ħ ∂ / ∂r
Dove ħ è la costante di Planck divisa per 2π.
6.- L'operatore hamiltoniano H = (p⋅p)/ 2m - e V (r) agisce sulla funzione d'onda dell'elettrone Ψ (r).
7.- Poiché si cercano le soluzioni stazionarie della funzione d'onda elettronica, viene utilizzata l'equazione di Schrödinger indipendente dal tempo:
H Ψ (r) = E Ψ (r)
Dove E rappresenta l'energia totale dell'elettrone.
8.- Negli atomi con più elettroni, l'interazione tra loro non viene presa in considerazione.
9.- Quando si tratta di atomi di molti elettroni, gli orbitali degli elettroni più esterni sono modellati dal potenziale del nucleo schermato dagli elettroni più interni, noto come potenziale di Debye.
10.- L'equazione (7) ha una soluzione per alcuni valori energetici discreti, in modo che il famoso planck quanti, appaiono naturalmente dalle soluzioni dell'equazione di Schrödinger.
11.- Per ogni valore discreto di E esiste una funzione d'onda. Ma alcune soluzioni sono degenerate, a seconda del valore del momento angolare L.
12.- La funzione d'onda è il prodotto di una funzione radiale, la funzione azimutale e la funzione polare.
13.- Questa funzione d'onda determina le regioni consentite per l'elettrone. Il quadrato della funzione d'onda è il densità di probabilità per trovare l'elettrone in una certa posizione, visto dal centro del nucleo atomico.
14.- Lo spin non compare nell'equazione di Schrödinger, ma è incorporato nel modello atomico attraverso il principio di Pauli:
L'elettrone è un fermione con due possibili stati di spin + ½ e -½.
Quindi lo stesso stato caratterizzato dai numeri quantici n, l, m dell'equazione di Schrödinger, può essere occupato al massimo da 2 elettroni con spin opposti. In questo modo lo spin diventa il quarto numero quantico.
Sembra incredibile, ma la maggior parte dei fisici che hanno contribuito all'attuale modello atomico appaiono nella stessa foto. Si sono incontrati alle famose conferenze sponsorizzate da Ernest Solvay, chimico e industriale di origine belga, diventato famoso nel mondo della scienza.
Cominciarono a tenersi nel 1911 e riunirono i più grandi scienziati del momento, tra loro c'erano praticamente tutti coloro che diedero il loro contributo all'attuale modello atomico.
La più famosa di queste conferenze si tenne a Bruxelles nel 1927 e lì fu scattata questa fotografia storica:
Modello atomico di Schrödinger.
Modello Atomic de Broglie.
Modello atomico di Chadwick.
Modello atomico di Heisenberg.
Il modello atomico di Perrin.
Il modello atomico di Thomson.
Modello atomico di Dalton.
Modello atomico di Dirac Jordan.
Modello atomico di Democrito.
Modello atomico di Leucippo.
Modello atomico di Bohr.
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