Esercizi: I modelli atomici (da Dalton a Bohr)

A lezione di Fisica, l'insegnante mostra una palla da biliardo e dice che così Dalton immaginava gli atomi intorno all'anno $1805$, come mostra la figura.

Spiega con parole tue che cos'è un atomo secondo il modello di Dalton e quali due proprietà aveva quella «palla».

La nonna di Luca prepara un budino con l'uvetta, come quello della figura.

Thomson immaginò l'atomo come quel dolce: spiega che cosa rappresenta la massa del budino nel suo modello e che cosa rappresenta l'uvetta.

Giulia vede in un documentario l'esperimento della lamina d'oro di Rutherford: si lanciavano particelle $\alpha$, con carica positiva, contro una lamina d'oro sottilissima, come mostra la figura.

Che cosa accadde alla grande maggioranza delle particelle quando arrivavano alla lamina? Quale conclusione trasse Rutherford sull'interno dell'atomo?

Sulla ruota panoramica di un luna park puoi viaggiare solo seduto in una cabina, mai sospeso in aria tra due cabine. Bohr propose qualcosa di simile per gli elettroni, come mostra la figura.

Spiega che cosa disse Bohr sulle orbite degli elettroni e in che cosa il suo modello si differenziava da quello di Rutherford.

Alcune figurine di «scienziati dell'atomo» riportano queste date: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Metti in ordine i quattro modelli atomici dal più antico al più moderno.

Il gioco preferito di Mario viene aggiornato spesso per correggere errori e aggiungere miglioramenti. Con i modelli della scienza accade qualcosa di simile: spiega perché gli scienziati sostituiscono un modello con uno nuovo.

In un museo della scienza, Leo osserva un tubo a raggi catodici come quello usato da Thomson nei suoi esperimenti, simile a quello della figura.

Quale particella scoprì Thomson con quell'apparecchio e che carica elettrica ha?

Nella mostra «I detective dell'atomo» ci sono quattro pannelli fuori posto. Abbina ciascuna descrizione al suo scienziato: Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr.

1. a) «L'atomo è una sfera compatta e indivisibile.»
2. b) «Gli elettroni sono incastonati in una sfera con carica positiva, come l'uvetta in un budino.»
3. c) «Quasi tutto l'atomo è vuoto e la carica positiva si concentra in un nucleo molto piccolo.»
4. d) «Gli elettroni possono occupare solo certe orbite consentite.»

Nell'esperimento della lamina d'oro si osservarono tre cose: la maggior parte delle particelle $\alpha$ attraversava la lamina senza deviare, poche venivano deviate e, molto raramente, qualcuna rimbalzava all'indietro, come mostra la figura.

Scrivi la conclusione che Rutherford trasse da ciascuna delle tre osservazioni.

In un dibattito in classe, Nora sostiene che l'esperimento della lamina d'oro abbia fatto crollare il modello di Thomson. Se l'atomo fosse davvero una sfera di carica positiva con elettroni incastonati, che cosa sarebbe dovuto accadere alle particelle $\alpha$ arrivando alla lamina? Quale osservazione dell'esperimento non è compatibile con questa previsione? Giustifica la risposta.

Il modello di Rutherford viene chiamato «modello planetario» perché ricorda il sistema solare, come mostra la figura.

Indica una somiglianza e una differenza tra i pianeti che girano intorno al Sole e gli elettroni che girano intorno al nucleo (pensa a quale forza tiene unito ciascun sistema).

Per spiegare il modello di Bohr, un insegnante paragona una scala a uno scivolo, come nella figura: sulla scala puoi stare solo su un gradino, ma sullo scivolo puoi fermarti a qualsiasi altezza.

Associa ciascuna immagine a uno dei due modelli, quello di Rutherford e quello di Bohr, e spiega che cosa rappresenta ogni gradino della scala.

Queste quattro descrizioni di modelli atomici sono in disordine:

1. a) «Gli elettroni girano intorno a un nucleo centrale, come i pianeti intorno al Sole.»
2. b) «L'atomo è una palla compatta e indivisibile.»
3. c) «Gli elettroni possono stare solo in certe orbite consentite.»
4. d) «L'atomo è una sfera positiva con elettroni incastonati.»

Mettile in ordine cronologico, dal modello più antico al più recente, e scrivi il nome dello scienziato che propose ciascuno.

I vecchi televisori a tubo funzionavano con i raggi catodici, gli stessi con cui Thomson scoprì l'elettrone nel $1897$. L'elettrone è una particella che esce dall'interno dell'atomo: spiega perché questa scoperta obbligò a cambiare il modello di Dalton.

Quando Rutherford propose il suo modello non poteva ignorare ciò che già si sapeva: per esempio, che gli atomi sono elettricamente neutri. Spiega come la neutralità dell'atomo si inserisce nel modello di Rutherford (nucleo positivo ed elettroni) e perché un nuovo modello deve spiegare anche i fatti che il precedente già spiegava bene.

Immagina che nell'esperimento della lamina d'oro la maggior parte delle particelle $\alpha$ fosse rimbalzata all'indietro invece di attraversare la lamina. Che cosa avrebbe concluso Rutherford sull'interno dell'atomo in quel caso? A quale dei modelli che conosci somiglierebbe di più quella conclusione? Motiva le risposte.

Nell'esperimento della lamina d'oro, su ogni $8000$ particelle $\alpha$ lanciate, circa $7992$ attraversavano la lamina senza deviare, circa $7$ venivano deviate e solo $1$ rimbalzava.

1. a) Calcola quale percentuale delle particelle attraversava la lamina senza ostacoli.
2. b) Quale frazione delle particelle lanciate rimbalzava?
3. c) Spiega, a partire da questi numeri, perché Rutherford affermò che l'atomo è quasi vuoto e che il nucleo è minuscolo.

Per spiegare i modelli, un gruppo di alunni usa un'anguria con i semi come immagine del modello di Thomson.

1. a) Spiega che cosa rappresenta ciascuna parte dell'anguria in quel modello.
2. b) Proponi tu un oggetto o una situazione quotidiana che rappresenti il modello di Rutherford e spiega che cos'è ogni elemento.
3. c) Nessun paragone è perfetto: indica un difetto dell'immagine dell'anguria come modello dell'atomo.

In un lavoro, Paolo scrive: «Il modello di Dalton era sbagliato, quindi non è servito a niente». Non sei d'accordo. Spiega due cose che il modello di Dalton spiegava bene (perché esistono elementi diversi e come si combinano i loro atomi) e una cosa che non riusciva a spiegare e che obbligò a cambiarlo.

Le particelle $\alpha$ hanno carica positiva, come il nucleo dell'atomo, come mostra la figura.

1. a) Spiega, usando le forze tra cariche elettriche, perché una particella $\alpha$ che passa vicino al nucleo viene deviata dalla sua traiettoria.
2. b) Perché le particelle che rimbalzano all'indietro sono proprio quelle che si avvicinano di più al nucleo?
3. c) Se la lamina fosse bombardata con particelle prive di carica, ti aspetteresti di vedere le stesse deviazioni? Giustificalo.

Scrivi una breve voce di enciclopedia intitolata «La storia dell'atomo in quattro modelli». Per ogni scienziato (Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr) indica che cosa apportò il suo modello e quale osservazione o esperimento lo sosteneva.

Alcuni scienziati ripetono l'esperimento con una lamina di un metallo diverso dall'oro e osservano che ora rimbalza il doppio delle particelle $\alpha$, anche se restano comunque pochissime.

1. a) L'idea che l'atomo sia quasi vuoto è ancora valida? Perché?
2. b) Proponi un'ipotesi che spieghi perché con questo metallo rimbalzano più particelle (pensa a come può essere il suo nucleo rispetto a quello dell'oro).
3. c) Quale nuovo esperimento faresti per verificare la tua ipotesi? Motiva le risposte.

Il modello di Rutherford aveva un problema: secondo la fisica dell'epoca, un elettrone che gira attorno al nucleo dovrebbe perdere energia e finire per cadere su di esso, come mostra la figura, e quindi gli atomi non sarebbero stabili.

1. a) Spiega che cosa propose Bohr per evitare la caduta dell'elettrone.
2. b) Perché diciamo che Bohr aggiunse una «regola nuova» invece di limitarsi a disegnare meglio le orbite di Rutherford?

Tuo cugino di otto anni ti chiede perché nei libri di scienze i disegni dell'atomo cambiano. Scrivigli una spiegazione semplice (puoi paragonarlo all'aggiornamento di una mappa quando si scopre una strada nuova) raccontandogli come si è passati dal modello di Dalton a quello di Bohr e che ruolo hanno avuto gli esperimenti in questi cambiamenti.