La Struttura dell'Atomo

La Carica Elettrica e la Legge di Coulomb

La carica elettrica è una proprietà intrinseca delle particelle che costituiscono la materia, responsabile di fenomeni elettrostatici come l'attrazione o la repulsione tra oggetti. Un esempio quotidiano di elettrizzazione si verifica quando una penna, strofinata con un panno di lana, attira piccoli pezzi di carta. Questo processo può essere osservato anche quando si stacca del nastro adesivo da una superficie, evidenziando la presenza di cariche positive e negative. La legge di Coulomb, formulata nel XVIII secolo dal fisico Charles-Augustin de Coulomb, quantifica la forza elettrostatica tra due cariche puntiformi: essa è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza reciproca. La costante di proporzionalità, nota come costante elettrostatica, è circa 8,9875517873681764 × 10^9 N·m²/C² nel vuoto e varia leggermente in altri mezzi, come l'aria.

La Scoperta dell'Elettrone e la Carica Elementare

La comprensione della carica elettrica ha fatto un salto di qualità con la scoperta dell'elettrone da parte di J.J. Thomson nel 1897, attraverso l'esperimento con i raggi catodici. Thomson identificò questi raggi come flussi di particelle cariche negativamente, gli elettroni, e calcolò il loro rapporto carica/massa. In seguito, Robert Millikan, con il suo famoso esperimento della goccia d'olio del 1909, determinò il valore della carica dell'elettrone, confermando che essa rappresenta la più piccola carica elettrica esistente in natura, pari a circa -1,602 × 10^-19 C. La massa dell'elettrone è di circa 9,109 × 10^-31 kg. Queste scoperte hanno chiarito che l'elettrizzazione è il risultato del trasferimento di elettroni tra corpi diversi, in linea con il principio di conservazione della carica, secondo cui la carica totale di un sistema isolato rimane costante.

Le Particelle Fondamentali dell'Atomo

L'identificazione dell'elettrone ha portato alla revisione del modello dell'atomo come entità indivisibile. Si è scoperto che l'atomo è composto da tre tipi di particelle subatomiche: elettroni, con carica negativa, protoni, con carica positiva, e neutroni, privi di carica elettrica. I protoni furono scoperti da Eugen Goldstein nel 1886 attraverso l'analisi dei raggi anodici, mentre i neutroni furono identificati da James Chadwick nel 1932. Protoni e neutroni, detti nucleoni, sono contenuti nel nucleo atomico, una regione centrale estremamente piccola e densa. Ulteriori studi hanno rivelato che protoni e neutroni sono a loro volta composti da particelle ancora più elementari chiamate quark. Tuttavia, per la maggior parte degli studi chimici, è sufficiente considerare gli atomi come formati da elettroni, protoni e neutroni.

I Modelli Atomici di Thomson e Rutherford

Il modello atomico proposto da J.J. Thomson dopo la scoperta dell'elettrone descriveva l'atomo come una sfera di carica positiva uniformemente distribuita, con gli elettroni immersi al suo interno, simili a "uvetta in un pudding". Questa rappresentazione fu però messa in discussione dagli esperimenti di Ernest Rutherford nel 1911, che, bombardando una lamina d'oro con particelle alfa, osservò che la maggior parte di esse attraversava la lamina senza subire deviazioni significative, mentre una piccola frazione veniva deflessa ad angoli elevati. Questi risultati suggerivano l'esistenza di un nucleo atomico denso e positivamente carico, attorno al quale gli elettroni si muovevano in spazi vuoti. Il modello di Rutherford ha gettato le basi per la comprensione moderna della struttura atomica e ha aperto la strada allo sviluppo della fisica nucleare e della chimica quantistica.