Els Models atòmics

“Jo, un Univers d’àtoms,

Un àtom a l’Univers”.

Richard Feynman, físic

Els primers en postular teories sobre la constitució de la matèria foren els filòsofs grecs, que suposaven que al món hi havia quatre elements: foc, aigua, terra i aire.

El filòsof grec Demòcrit (segle V a.C) va ser el primer en dir que la matèria estava formada per esferes massisses anomenades àtoms (que en grec significa: unitat indivisible).

La teoria atòmica de Dalton (1808) va resultar útil per a interpretar algunes propietats de les substàncies en les reaccions químiques, però va ser insuficient per a explicar altres fenòmens com l’electrització dels cossos per fregament.

Els diversos avenços en el coneixement de l’estructura atòmica han donat lloc a successius models atòmics.

Model atòmic de Dalton.

El 1808 Dalton va enunciar la seva teoria atòmica, on imaginava els àtoms com esferes massisses indivisibles, tal i com havia pensat Demòcrit al segle V a.C.

El model de Dalton no diu res sobre la constitució interna de l’àtom perquè en la seva època no s’havien descobert les partícules que el constitueixen.

Aquest model va implicar la distinció entre elements i compostos:

• Elements: tipus de matèria constituïda per àtoms d’una mateixa classe.
• Compostos: substància formada per la unió de dos o més elements de la taula periòdica.

Model atòmic de Thomson.

El 1897 el físic britànic Joseph J. Thomson (1856 – 1940) va demostrar que a l’interior dels àtoms hi ha unes partícules diminutes, amb càrrega elèctrica negativa, les quals va anomenar electrons.

Com que la matèria és elèctricament neutra, Thomson va considerar que l’àtom havia de ser una esfera massissa de matèria carregada positivament, en l’interior de la qual estaven incrustats els electrons.

Es tracta d’un model estàtic i no nuclear en el qual els àtoms poden perdre electrons, la qual cosa justifica fenòmens com l’electrització.

Model atòmic de Rutherford.

El 1911el físic neozelandès Ernest Rutherford (1871 – 1937) va demostrar que els àtoms no són massissos sinó que en la major part estan buits.

En la seva experiència, Rutherford va deduir que en el centre de l’àtom hi ha un diminut corpuscle, que va anomenar nucli, en el qual es troben les partícules de càrrega positiva, els protons. A més, Rutherford ja va intuir la presència d’una altra nova partícula situada en el nucli de l’àtom, els neutrons que, com el seu nom indica, tenen càrrega elèctrica neutre.

El model presenta un àtom dinàmic i nuclear, en el qual els electrons, en igual nombre que es protons, giren al voltant del nucli descrivint òrbites circulars.

Model atòmic de Bohr.

A partir dels descobriments sobre la naturalesa de la llum i l’energia, el 1913 el físic danès Niels Bohr (1885 – 1962) va proposar un nou model atòmic.

Per a Bohr els electrons giren entorn del nucli en òrbites circulars de radis definits. No totes les òrbites són possibles: existeixen òrbites permeses i altres de prohibides.

Cadascuna d’aquestes òrbites només pot tenir un nombre donat d’electrons, amb una energia determinada en cada cas.

Perquè un electró canviï d’òrbita, és necessari modificar-ne l’energia en una quantitat determinada.

El 1915 l’alemany Sommerfeld va modificar el model introduint també òrbites el·líptiques.

En aquest model, precursor de l’actual, els electrons només ocupen òrbites amb valors determinats d’energia. Es diu que l’energia està quantitzada.

El model atòmic actual.

El descobriment de James Chadwick (1891 – 1974) d’una nova partícula fonamental en el nucli, el neutró, la massa de la qual és similar a la del protó i sense càrrega elèctrica, va completar la descripció del model atòmic desenvolupat al llarg del segle XX.

En aquest model, Chadwick, va diferenciar dues parts en l’àtom: el nucli i l’escorça.

El nucli.

És la part central de l’àtom i s’hi troben els protons i els neutrons.

• Els protons són partícules amb càrrega elèctrica positiva d’1,6·10^-19C i amb una massa aproximada d’1,67·10^-27 kg.
• Els neutrons són partícules sense càrrega i de massa aproximadament igual a la dels protons.

La massa d’un àtom es concentra en el nucli, ja que la massa dels electrons és insignificant en comparació a la de protons i neutrons.

La Escorça.

És la part exterior de l’àtom i conté els electrons, proveïts de càrrega elèctrica negativa, d’igual valor absolut que la dels protons. La massa dels electrons és de 9,11·10^-31 kg, unes 2000 vegades més petita que la dels protons i dels neutrons.

En tots els àtoms, el nombre de protons del nucli és igual al nombre d’electrons de l’escorça, per la qual cosa l’àtom és elèctricament neutre.

El volum que ocupa l’àtom és aproximadament 10⁵ vegades més gran que el volum del nucli. Així, podem dir que l’àtom és, essencialment, buit.

En aquest model els electrons no descriuen òrbites definides, sinó que es troben distribuïts ocupant orbitals.

Els orbitals són regions de l’espai, entorn del nucli, on la probabilitat de trobar un electró amb una determinada energia és molt gran.

Els orbitals estan agrupats en nivells energètics que es numeren de l’1 al 7 per ordre creixent de l’energia que té l’electró en l’orbital.

Per saber – ne més:

• Breu slide sobre la història de l’àtom: http://www.slideshare.net/karypauly/historia-del-tomo
•  Vídeo sobre la història dels models atòmics (en castellà): http://www.youtube.com/watch?v=8VNvVCaeHhc&feature=youtu.be

Les proves experimentals del Big Bang

“Equipat amb els seus cinc sentits, l'home explora l'Univers que l'envolta i a aquesta aventura l'anomena Ciència".

Edwin Hubble, astrònom

Tota teoria científica es construeix a partir d’un entramat de conceptes, models i observacions, capaços d’explicar adequadament els fenòmens estudiats.

La teoria del Big Bang és la millor aproximació científica per a explicar l’origen de l’Univers: va néixer a partir d’una gran explosió.

El fonament matemàtic d’aquesta teoria el constitueix la teoria de la relativitat general desenvolupada per el físic Albert Einstein a principis del segle XX. Ara bé, com ja s’ha dit, tota teoria científica s’ha de reforçar amb observacions de la natura per a considerar – se vàlida, en el cas del Big Bang tenim tres punts de verificació experimental:

1. L’expansió de l’Univers
2. Les proporcions (relatives) dels elements primordials
3. La radiació del fons de microones

L'expansió de l’Univers

L’any 1916, Albert Einstein, va fer els primers passos fonamentals cap a la teoria del Big Bang amb el desenvolupament de la teoria de la relativitat general i la construcció d’un model (primerament estàtic) de l’Univers.

Darrera d’Einstein, l’any 1922, el matemàtic i meteoròleg rus Alexander Friedmann va proposar un model d’Univers en expansió, basant – se en que l’Univers aparenta ser el mateix des de qualsevol punt d’observació.

L’any 1929 l’astrònom nord – americà Edwin Hubble, a partir dels treballs d’Henrietta Leavitt, i de les observacions del fenomen astronòmic conegut amb el nom de desplaçament cap al roig comparades amb el conegut Efecte Doppler, va constatar que les galàxies s’allunyen les unes de les altres a una velocitat proporcional a la distància que les separa. Aquest fet es coneix avui dia com la Llei de Hubble i va ser la explicació d’un model d’Univers en expansió verificat experimentalment.

Els elements primordials

L’any 1948, l’estudiant de doctorat Ralph Alpher, conjuntament amb el seu tutor George Gamow, va proposar una imatge d’un Univers calent inicial. Aquest model permetia explicar, a partir de la teoria del Big Bang, l’aparició d’elements lleugers (com ara l’hidrogen i l’heli) com a conseqüència de processos entre electrons, protons i neutrons. Podent predir quines havien estat les proporcions inicials per a poder explicar la seva abundància en un Univers primordial.

L’any 1965 el físic Jim Peebles va fer un càlcul aproximat que concordava satisfactòriament amb els valors experimentals.

Poc desprès dels càlculs de Peebles, Ralph Alpher i Robert Herman van predir que la radiació provinent d’aquestes primeres etapes de l’Univers hauria de ser present encara en forma de radiació de fons amb un valor de pocs graus per sobre del zero absolut (0 graus Kelvin), corresponent a – 273,15ºC.

La radiació de fons de microones

La teoria prediu que hauríem de ser capaços de detectar la radiació provinent dels instants inicials de la formació de l’Univers en forma de radiació de microones (tal i com van predir Alpher i Herman).

L’any 1965, els físics nord – americans Arno Penzias i Robert Wilson, que treballaven per a la Bell Telephone, van provar el funcionament d’un detector de microones extremament sensible. El que van enregistrar va ser una proporció molt més gran de soroll de la esperada que, a més, provenia de totes les direccions i era constant.

Aquesta radiació equivalia a una temperatura de – 270ºC, exactament la predita amb la teoria del Big Bang tenint en compte el fet de la expansió de l’Univers i del temps transcorregut des de l’instant inicial fins al dia de l’observació de Penzias i Wilson.

Penzias i Wilson van rebre el premi Nobel de Física l’any 1979 per el seu gran descobriment, decisiu en l’acceptació de la teoria del Big Bang.

Per saber – ne més:

• Sobre Edwin Hubble: http://www.visionjournal.es/visionmedia/article.aspx?id=3722&rdr=true&LangType=1034
• Sobre Henrietta Leavitt: http://cienciacarrer.blogspot.com.es/2012/08/henrietta-leavitt.html
• Sobre la Teoria del Big Bang: Llibre: Historia del Tiempo, del Big Bang a los agujeros negros. Autor: Stephen W. Hawking. Editorial: Alianza Editorial.