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