Esercizi: Particelle subatomiche e isotopi

Nel gioco da tavolo «Costruisci un atomo» ci sono tre tipi di tessere: protoni, neutroni ed elettroni. Indica la carica elettrica di ciascuna delle tre particelle: positiva, negativa o senza carica.

Se l'atomo fosse uno stadio di calcio, il nucleo sarebbe una biglia al centro del campo. Quali particelle ci sarebbero dentro quella «biglia»? E quali particelle si muoverebbero sugli spalti, intorno al nucleo?

Completa la frase con le parole mancanti: «Il protone ha carica $\dots$, l'elettrone ha carica $\dots$ e il neutrone non ha $\dots$».

Il numero atomico $Z$ è come la carta d'identità di un elemento. Spiega che cosa conta il numero $Z$ e di' quanto vale per un atomo che ha $6$ protoni.

Quando respiri, ai tuoi polmoni arrivano atomi di ossigeno, che hanno $8$ protoni. Se un atomo di ossigeno è neutro, quanti elettroni ha? Spiega perché.

Il numero di massa $A$ conta le particelle «pesanti» dell'atomo. Un atomo di carbonio ha $6$ protoni e $6$ neutroni, come mostra la figura.

Quanto vale il suo numero di massa $A$? Quali particelle dell'atomo non rientrano in questo conteggio?

Il carbonio-12 e il carbonio-14 sono come due fratelli: sono dello stesso elemento, ma non «pesano» uguale. Spiega che cosa hanno in comune i due atomi e in che cosa si differenziano. Come si chiama la relazione tra di loro?

Il sale da cucina contiene atomi di sodio, con $11$ protoni e $12$ neutroni nel nucleo, come mostra la figura.

Calcola il numero di massa $A$ del sodio.

I fuochi d'artificio a mano brillano con una luce bianca intensa perché bruciano magnesio. Un atomo neutro di magnesio ha $Z = 12$ e $A = 24$. Calcola quanti protoni, neutroni ed elettroni ha.

Il cloro usato per disinfettare le piscine ha $Z = 17$ e $A = 35$. Calcola quanti neutroni ha il suo nucleo e quanti elettroni ha un atomo neutro di cloro.

La carta di alluminio che usiamo in cucina è formata da atomi con $Z = 13$ e $A = 27$. Calcola il numero di protoni, neutroni ed elettroni di un atomo neutro di alluminio.

Il ferro delle lenticchie aiuta a trasportare l'ossigeno nel sangue. Un atomo neutro di ferro ha $Z = 26$ e $A = 56$. Quanti neutroni ha nel nucleo? E quanti elettroni intorno a esso?

Un atomo neutro di calcio, il minerale delle ossa, ha $20$ elettroni e un numero di massa $A = 40$. Calcola il suo numero atomico $Z$ e il numero di neutroni del suo nucleo.

L'idrogeno ha tre isotopi noti: il prozio ($A = 1$), il deuterio ($A = 2$), presente nella cosiddetta «acqua pesante», e il trizio ($A = 3$). Tutti hanno $Z = 1$, come mostra la figura.

Calcola quanti neutroni ha ciascun isotopo e spiega perché i tre sono lo stesso elemento.

Il carbonio-12 ha $A = 12$ e il carbonio-14 ha $A = 14$; entrambi hanno $Z = 6$, come mostra la figura.

1. a) Calcola i neutroni che ha ciascun isotopo.
2. b) Spiega che cosa hanno in comune i due atomi e che cosa li rende lo stesso elemento.

L'odore delle uova marce è dovuto a un gas che contiene zolfo. Un atomo neutro di zolfo ha $16$ elettroni e $16$ neutroni. Calcola il suo numero atomico $Z$ e il suo numero di massa $A$.

Gli scienziati studiano il clima del passato analizzando il ghiaccio dei ghiacciai, dove compaiono l'ossigeno-16 ($Z = 8$, $A = 16$) e l'ossigeno-18 ($Z = 8$, $A = 18$).

1. a) Completa il numero di protoni, neutroni ed elettroni di ciascun isotopo, supponendo atomi neutri.
2. b) Spiega perché i due sono lo stesso elemento anche se hanno masse diverse.

Le batterie dei cellulari usano il litio. Il suo simbolo con i numeri dell'atomo si scrive così: ${}^{7}_{3}\text{Li}$. Il numero in alto è $A$ e quello in basso è $Z$.

1. a) Quanti protoni, neutroni ed elettroni ha un atomo neutro di litio?
2. b) Il berillio ha $4$ protoni e $5$ neutroni: scrivi il suo simbolo con lo stesso formato.

Il potassio è un minerale abbondante nelle banane. Un atomo neutro di potassio, con $Z = 19$, perde uno dei suoi elettroni, come mostra la figura.

1. a) Quanti protoni e quanti elettroni restano all'atomo?
2. b) È ancora potassio? Giustificalo pensando a che cosa definisce un elemento.
3. c) Quale carica netta ha ora l'atomo? Spiega il risultato confrontando le sue cariche positive e negative.

Alcuni archeologi trovano una zanna di mammut e vogliono sapere la sua età. Per calcolarla usano il carbonio-14 che rimane nei resti.

1. a) Il carbonio-14 è un isotopo del carbonio: spiega che cosa significa, parlando di protoni e neutroni.
2. b) Tutti gli esseri viventi contengono carbonio e, quando muoiono, il loro carbonio-14 diminuisce poco a poco con gli anni. Spiega perché ciò permette di stimare da quanto tempo è morto l'animale.

Un atomo neutro ha numero di massa $A = 31$ e $16$ neutroni nel nucleo.

1. a) Calcola il suo numero atomico $Z$ e il suo numero di elettroni.
2. b) Con l'aiuto di questo elenco, scopri di quale elemento si tratta: ossigeno ($Z = 8$), sodio ($Z = 11$), silicio ($Z = 14$), fosforo ($Z = 15$) o cloro ($Z = 17$).
3. c) Le capocchie dei fiammiferi contengono questo elemento. Spiega perché è il numero $Z$, e non il numero di neutroni, a decidere di quale elemento è un atomo.

Un protone ha quasi la stessa massa di un neutrone, e ciascuno di essi ha una massa circa $2000$ volte maggiore di quella di un elettrone.

1. a) Un atomo di carbonio-12 ha $6$ protoni, $6$ neutroni e $6$ elettroni: spiega perché praticamente tutta la sua massa è concentrata nel nucleo.
2. b) Stima quante volte il nucleo di quell'atomo è più pesante di tutti i suoi elettroni messi insieme.

Tre atomi hanno queste particelle: l'atomo X ha $6$ protoni e $6$ neutroni; l'atomo Y ha $6$ protoni e $8$ neutroni; l'atomo Z ha $7$ protoni e $7$ neutroni.

1. a) Quali di essi sono lo stesso elemento? Perché?
2. b) Quale coppia costituisce un caso di isotopi?
3. c) Calcola il numero di massa $A$ di ciascuno dei tre atomi.

Un passatempo di una rivista propone questa sfida: costruisci, con pezzi sciolti di protoni, neutroni ed elettroni, un atomo neutro di berillio, che ha $Z = 4$ e $A = 9$, come mostra la figura.

1. a) Quanti pezzi di ciascun tipo ti servono?
2. b) Se per errore aggiungi un elettrone in più, l'atomo sarebbe ancora neutro? Quale carica netta avrebbe? Giustificalo.
3. c) E se togliessi un neutrone, cambierebbe l'elemento? Cambierebbe qualcosa dell'atomo? Motiva le risposte.