Corso di elettrotecnica ed elettronica: proprietà elettriche della materia – Lezione 8

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Conoscere la struttura atomica della materia è fondamentale per comprendere tutti i fenomeni che riguardano l’elettrotecnica e l’elettronica.

Tutta la materia, sia essa allo stato solido, liquido o gassoso, è costituita da unità elementari chiamati atomi che possiamo considerare come mattoni che costituiscono tutto ciò che ci circonda.

Per atomo possiamo considerare la più piccola parte della materia che non può essere suddivisa mediante procedimenti chimici, mentre può subire trasformazione fisica come disintegrazione, trasformazione in altri atomi.

Gli atomi non sono tutti uguali in natura, ma ciascuno di essi rappresenta un ben specifico elemento chimico. Attualmente si conoscono poco più di un centinaio di elementi chimici e quindi esistono altrettanti tipi di atomi. L’elenco di tutti gli elementi chimici conosciuti è elencato nella tavola periodica degli elementi.

Lo sviluppo della fisica moderna, ha portato alla scoperta che l’atomo non è indivisibile, ma costituito da altre particelle più piccole, delle quali le più importanti sono: protoni, neutroni ed elettroni.

L’atomo è costituito da un nucleo composto da protoni che possiedono una carica positiva e da neutroni che non hanno carica e da particelle dette elettroni, carichi negativamente, che ruotano su orbite intorno al nucleo secondo orbite circolari o ellittiche. Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo (e quindi anche il numero di elettroni) viene detto numero atomico, indicato con il simbolo Z.

Possiamo approssimare la struttura dell’atomo a quella di un minuscolo sistema solare.

atomo

Gli elettroni ruotano a velocità elevatissima intorno al nucleo descrivendo orbite che variano continuamente il loro piano di rotazione e su orbite diverse in base alla quantità di energia che essi posseggono. Questo vorticoso moto crea una sorta di strati di nubi elettroniche concentriche e lo strato più esterno determina la dimensione esterna dell’atomo.

La carica elettrica di un singolo elettrone o un singolo protone corrispondono alla più piccola carica elettrica presente in natura, quindi tutte le cariche elettriche misurabili in natura sono multiple di questa unità di carica elementare.

Un atomo normale ha un numero uguale di elettroni e protoni e la carica positiva e negativa si annullano a vicenda, si dice che l’atomo è elettricamente neutro.

Gli elettroni delle orbite interne vengono detti elettroni legati perché non possono essere facilmente portati fuori dalle orbite, mentre gli elettroni delle orbite esterne vengono detti elettroni liberi, perché possono essere spinti fuori dalle orbite in quanto più lontano dal nucleo.
Ciascuno di questi strati, contraddistinto da una lettera dell’alfabeto, può contenere un ben preciso numero di elettroni, nella tabella che segue viene mostrata la corrispondenza tra strati e numero massimo di elettroni che possono essere contenuti:

tabella

La maggior parte dei fenomeni fisici e chimici interessa lo strato più esterno al nucleo.

Nella figura che segue è rappresentato il modello dell’atomo di rame costituito da 29 elettroni che gravitano in differenti orbite attorno al nucleo.

rame

Secondo la tabella data, nel primo strato K abbiamo 2 elettroni, nel secondo strato L abbiamo 8 elettroni, nel terzo strato M ne abbiamo 18 e nel quarto che potrebbe contenere al massimo 32 elettroni ne è presente solamente 1. L’elettrone isolato, che si trova nell’ultimo strato viene detto elettrone di conduzione perché può liberarsi più facilmente dalle forze che lo tengono legato all’atomo. L’elettrone dell’ultimo strato può spostarsi nell’orbita di un altro atomo partecipando alla conduzione delle cariche.

Nella figura che segue è rappresentato il modello dell’atomo del silicio costituito da 14 elettroni che gravitano in differenti orbite attorno al nucleo.

silicio

Per dare un’ordine di grandezza dell’atomo si pensi che il suo diametro è di circa di 10^-10 m (un decimiliardesimo di metro). Per rendersi conto delle dimensioni dell’atomo si pensi che se si riuscisse ad ingrandire il nucleo di un atomo di 1 mm, che è circa la dimensione della testa di un fiammifero, si avrebbe che gli elettroni ruotano su orbite aventi un diametro di 100 m, simile alle dimensioni di un campo di calcio! Da cui se ne deduce che le dimensioni del nucleo è centomila volte più piccolo di quello dell’atomo, detto in altro modo gran parte dell’atomo è costituito da spazio vuoto!

Si precisa che la descrizione data dell’atomo è semplificata, ma risulta comunque utile per comprendere i fenomeni elettrici che descrivono il funzionamento di apparati elettronici.

Ioni

E’ possibile per atomo perdere o guadagnare un elettrone e ciò cambia l’equilibrio.
Se perde un elettrone vuol dire che l’atomo sarà più positivo che negativo, un atomo carico positivamente si chiama ione positivo.
Se l’atomo invece guadagna un elettrone vorrà dire che è più negativo che positivo, in questo caso l’atomo viene detto ione negativo.

ione

Il passaggio di un atomo allo stato di ione è il fenomeno della ionizzazione, che è all’origine di tutte le correnti elettriche.

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