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Journey to the infinitely small: the Atom – Viaggio nell’infinitamente piccolo: l’Atomo

L’atomo.

Nel seguente articolo si cercherà di spiegare in maniera semplificata l’idea di atomo.

The atom.
The following article will attempt to simplify the idea of ​​atom.

Immagine di un Atomo

Dalla nostra nascita fino alla nostra morte, ci troviamo immersi in un mondo costituito principalmente da spazio, energia e materia. Con materia si intende tutto ciò che ha una massa, un volume e, di conseguenza, occupa dello spazio. Un semplice pezzo di carta, i tasti del computer, le stesse dita della mano con cui sto battendo i tasti del computer, rispecchiano la descrizione di materia e quindi sono materia. A prima vista, un pezzetto di carta o il tasto di un computer può sembrare un qualcosa di stazionario e immobile, ma in realtà, se si potesse guardare abbastanza a fondo, si noterebbe che dietro ciò che noi possiamo vedere si cela un intrigante e complicato mondo, il mondo atomico e subatomico.

From our birth until our death, we are immersed in a world consisting mainly of space, energy and matter. By material it is meant everything that has a mass, a volume and, consequently, occupies space. A simple piece of paper, computer keys, the same fingers of the hand I’m knocking on the computer keys, reflect the description of matter and are therefore a matter. At first glance, a piece of paper or the key of a computer may seem like something stationary and immobile, but in fact, if you could look at it quite deeply, you would notice that behind what we can see, it’s a fascinating and complicated one the world, the atomic and subatomic world.

Circa 500 anni prima dell’anno zero, due filosofi, Leucippo e Democrito, fondarono una dottrina filosofica chiamata atomismo. Questi liberi pensatori pensarono che dividendo la materia in pezzetti sempre più piccoli, si potesse arrivare a una parte indivisibile della materia che chiamarono atomo, appunto dal greco “indivisibile”.
Per via dell’influenza delle dottrine Aristoteliche, le fondamenta ultime della materia non vennero più indagate per diverso tempo, fino al 1800-1900, anni in cui, grazie a diversi esperimenti effettuati da scienziati come J.J. Thomson e Ernest Rutherfod si arrivò al modello atomico più o meno uguale a quello accettato tutt’ora. L’intenzione di questo articolo non è di illustrare la storia dell’atomo, ma di illustrare l’atomo stesso; tuttavia, a chi volesse approfondire la storia dell’atomo, si consiglia la lettura del libro di Manjit Kumar “Quantum”, edito dalla Mondadori.

Approximately 500 years before the year zero, two philosophers, Leucippo and Democrito, founded a philosophical doctrine called atomism. These free thinkers thought that by dividing matter into ever smaller pieces, one could reach an indivisible part of the matter they called the atom, namely the Greek “indivisible”.
Due to the influence of the Aristotelian doctrines, the latest foundations of the matter were not investigated for a long time until the 1800-1900, when, thanks to several experiments carried out by scientists such as J.J. Thomson and Ernest Rutherfod came to the atomic model more or less the same as the one accepted today. The intention of this article is not to illustrate the history of the atom, but to illustrate the atom itself; however, those who want to deepen the history of the atom are advised to read the book by Manjit Kumar “Quantum”, published by Mondadori.

L’atomo non è più considerato la parte ultima della materia, ma l’ultimo pezzetto fino al quale la materia mantiene le sue caratteristiche chimiche, difatti si è scoperto che in realtà l’atomo è formato da altre particelle più piccole, dette particelle subatomiche.

Il modello prevede che la massa dell’atomo sia concentrata principalmente al centro, in una zona detta nucleo, con degli elettroni, particelle molto più leggere di quelle costituenti il nucleo, che ruotano intorno.

The atom is no longer considered the last part of the matter, but the last piece to which the matter retains its chemical characteristics, in fact it has been discovered that the atom actually is formed by other smaller particles, called subatomic particles .
The model assumes that the mass of the atom is concentrated mainly in the center, in an area called the nucleus, with electrons, particles much lighter than the core constituents, which rotate around.

Principali costituenti dell’Atomo

Principalmente il nucleo è costituito da due tipi di particelle subatomiche, i protoni, aventi carica positiva e i neutroni, con carica neutra. Ogni atomo rappresenta un elemento e, ogni elemento, differisce da un altro per il numero di protoni e neutroni contenuti nel nucleo e per gli elettroni che vi orbitano intorno.
Se ci si sofferma a riflettere un attimo, una domanda sorge spontanea: come fanno delle cariche uguali a stare vicine?
Tutti noi abbiamo avuto a che fare con i magneti e sappiamo che due cariche uguali si respingono, mentre due cariche diverse si attraggono. All’interno del nucleo si trovano cariche uguali che non si respingono. Come è possibile?
La famosa formula di Albert Einstein E=Mc^2 dice, in poche parole, che la massa e l’energia sono due facce della stessa medaglia. La massa può essere convertita in energia, l’energia può essere convertita in massa. Partendo da questo presupposto, vi guiderò in un piccolo ragionamento che permette di intuire il perchè i nuclei atomici esistono e non si distruggono in preda alle forze di repulsione Coulombiane tra cariche uguali.

Mainly, the nucleus consists of two types of subatomic particles, positive charge protons, and neutrons, with neutral charge. Each atom represents an element, and each element differs from another by the number of protons and neutrons contained in the nucleus and the electrons that surround them.
If you pause to think for a moment, a question arises spontaneously: how do they make equal positions to stay close?
We all have to do with the magnets and we know that two equal charges are rejected, while two different charges attract. Within the nucleus there are equal charges that are not rejected. How is it possible?
Albert Einstein’s famous formula E = Mc ^ 2 says, in a nutshell, that mass and energy are two sides of the same medal. Mass can be converted into energy, energy can be converted into mass. Starting from this assumption, I will guide you in a little reason that allows you to understand why atomic nuclei exist and do not destroy the Coulombian repulsion forces among equal charges.

Prendiamo come campione del nostro ragionamento l’atomo di Ossigeno 16, formato da 8 protoni, 8 neutroni ed 8 elettroni. Ognuna di queste particelle ha la propria massa e sarebbe ragionevole pensare che se facessimo la somma dei prodotti tra la massa di ogni particella e rispettivo numero di particelle, otterremo la massa dell’atomo di Ossigeno. Proviamo e vediamo che vien fuori.
Massa elettrone: 5,486 * 10^-4 u.m.a.
Massa protone: 1,007 u.m.a.
Massa neutrone: 1,009 u.m.a.
(u.m.a. = 1/12 della massa del Carbonio 12)
Moltiplichiamo le masse per il numero di particelle e otteniamo:
Massa elettroni : (5,486 * 10^-4) * 8 = 0,0043888 u
Massa protoni : 1,007 * 8 = 8,056 u
Massa neutroni : 1,009 * 8 = 8,072 u
Sommando i risultati si ottiene 16,13 u. Teoricamente questa dovrebbe essere la massa dell’Ossigeno, ma nella tavola periodica la massa dell’Ossigeno misurata sperimentalmente è di circa 15,9994 u. Questa differenza è chiamata difetto di massa, e deriva dal fatto che una parte della massa delle particelle del nucleo si trasforma in energia per vincere le forze di repulsione tra cariche uguali. Quest’energia si esercita attraverso una forza chiamata forza nucleare forte, forza intermediata da particelle chiamate gluoni.

Let us take as the sample of our reasoning the oxygen atom 16, consisting of 8 protons, 8 neutrons and 8 electrons. Each of these particles has its own mass and it would be reasonable to think that if we make the sum of the products between the mass of each particle and the respective number of particles, we will get the mass of the oxygen atom. Let’s try and see it coming out.
Electron mass: 5.486 * 10-4 -4 u.m.
Mass proton: 1,007 u.m.a.
Neutron mass: 1,009 u.m.a.
(i.e. = 1/12 of Carbon 12 mass)
We multiply the masses by the number of particles and get:
Electron mass: (5,486 * 10 ^ -4) * 8 = 0.0043888 u
Proton mass: 1,007 * 8 = 8,056 u
Mass neutron: 1,009 * 8 = 8,072 u
By adding the results you get 16.13 u. Theoretically, this should be the mass of the Oxygen, but in the periodic table the mass of the Oxygen measured experimentally is about 15.9994 u. This difference is called mass defect, and it derives from the fact that part of the mass of particles in the nucleus becomes energy to win the repulsion forces between equal charges. This energy is exercised through a force called a strong nuclear force, mediated by particles called gluons.

Ora che ci siamo fatti un idea sul nucleo atomico, si può passare alla parte più esterna, la nube elettronica.
Gli elettroni sono delle particelle molto leggere aventi carica negativa. Essi ruotano intorno al nucleo a velocità prossime a quelle della luce e si trovano solamente in delle precise orbite quantizzate, chiamate anche livelli energetici. Gli elettroni possono stare in una o in un altra orbita, ma non si possono trovare in orbite intermedie. Ogni orbita è per definizione la regione di spazio in cui è più probabile trovare l’elettrone. Il concetto di probabilità è stato introdotto da Werner Heisenberg con il suo principio di indeterminazione, una legge che sta alla base della meccanica quantistica e di cui parleremo nei prossimi articoli.
Gli elettroni sono i responsabili delle proprietà chimiche degli elementi e delle molecole, che non sono altro che aggregazioni di atomi legati tra loro grazie al fatto che gli elettroni più esterni dell’atomo formano dei legami chimici.
La carica complessiva di un atomo allo stato naturale è neutra, in quanto il numero di protoni ed elettroni è uguale e, di conseguenza, le cariche positive vengono annullate da quelle negative. Tuttavia, a causa di particolari processi chimici o fisici, gli atomi possono essere ionizzati, ovvero possono o cedere elettroni e diventare dei cationi, ovvero ioni aventi carica positiva, oppure acquistare elettroni e diventare anioni, ioni con carica negativa.

Now that we have made an idea about the atomic nucleus, we can move to the more outer part, the electronic cloud.
Electrons are very light particles having a negative charge. They rotate around the nucleus at speeds close to those of light and are found only in quantized quantized orbit, also called energy levels. Electrons can be in either orbit, but can not be found in intermediate orbits. Each orbit is by definition the region of space where it is most likely to find the electron. The concept of probability was introduced by Werner Heisenberg with its principle of indetermination, a law that underlies quantum mechanics and which we will discuss in the next articles.
Electrons are responsible for the chemical properties of the elements and molecules, which are nothing but aggregation of atoms bound together by the fact that the more outer electrons of the atom form chemical bonds.
The total charge of a naturally occurring atom is neutral, as the number of protons and electrons is equal and, consequently, the positive charges are canceled by the negative ones. However, due to particular chemical or physical processes, the atoms can be ionized, or they can either yield electrons and become cations, or positive ions, or buy electrons and become anions, negative ions.

La teoria atomica in questo articolo è descritta in maniera molto semplificata per rendere l’articolo leggibile anche ai “non addetti ai lavori”. In realtà la teoria atomica è molto più complessa e affascinante.
Grazie per la lettura.

The atomic theory in this article is described in a very simplified way to make the article readable to “non-executives”. In fact atomic theory is much more complex and fascinating.
Thanks for reading.

Robert Panai per Astrofili Sassari

Journey to the infinitely small: the Atom – Viaggio nell’infinitamente piccolo: l’Atomo
Robert Panai

Studente al quinto anno di chimica e biotecnologia ambientale. Ha una forte passione per le scienze matematiche e per ciò che è infinitamente piccolo e infinitamente grande. Appassionato di Astrofotografia da due anni, microfotografia a microorganismi e cristalli.

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Robert Panai

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