TEORIA ATÒMICATEORIA ATÒMICAMODELS ATÒMICSMODELS ATÒMICS

QUÈ ÉS UN ÀTOM?QUÈ ÉS UN ÀTOM?

Definim àtom com la partícula més petita en que un element pot ser dividit sense perdre les seves propietats químiques. Tot i que l’origen de la paraula àtom prové del grec, que vol dir indivisible, els àtoms estan formats per partícules encara més petites, les partícules subatòmiques.

El concepte d'àtom com a bloc bàsic i indivisible que compon la matèria de l'univers ja va ser postulat per l'escola atomista en l'Antiga Grècia. No obstant això, aquesta idea va ser rebutjada i el concepte àtom no va ser considerat seriosament pels científics fins al segle XIX.

I DES DE QUAN ES PARLA D'ÀTOMS?I DES DE QUAN ES PARLA D'ÀTOMS?

L'ÀTOM DE DEMÒCRIT I LEUCIPL'ÀTOM DE DEMÒCRIT I LEUCIP

Segons Demòcrit:

* Els àtoms es mouen en el buit i és l'atzar el que provoca el remolí que fa que xoquin entre elles. Segons aquests xocs es formen els diferents cossos.

* La diferència entre els cossos prové de la forma, la posició i la mida dels àtoms que els constitueixen. Per exemple, els àtoms que formen l'aigua són suaus i rodons, els de foc, punxeguts; els de terra, aspres i dentats, per poder unir-se i formar roques

Demòcrit d’Abdera (460 a.C.- 370 a.C.) formava part d’una escola filosòfica anomenada pluralista o atomista, juntament amb Leucip, Anaxàgores i Empèdocles.

Res existeix excepte àtoms i espai buit: la resta són opinions.Demòcrit dixit.

Demòcrit fou el primer en postular que la matèria estava formada per partícules molt petites, indivisibles, que va anomenar àtoms.

Però la idea de l'àtom fou rebutjadaPerò la idea de l'àtom fou rebutjada

Aquest corrent filosòfic proposava que la matèria estava formada per combinacions de quatre elements fonamentals: foc, aire, aigua i terra.

Aquests quatre elements es relacionaven per acció de quatre qualitats bàsiques: calent, fred, sec i humit.

Tot i que la teoria de Demòcrit, amb la introducció dels conceptes d’àtom, el buit i l’atzar, es va avançar 25 segles a la concepció actual de la matèria, durant molt segles no va ser acceptada.

Durant més de 2000 anys es va imposar el pensament de l'escola continuista que secundaven filòsofs com Aristòtil (384-322 a.C.)

EL MODEL ATÒMICEL MODEL ATÒMIC

La proposta atòmica de Demòcrit va tenir menys acceptació que la continuista.

Gràcies al prestigi que tenia Aristòtil, la teoria continuista es va mantenir vigent en el pensament de la humanitat durant més de 2000 anys.

Durant molts segles, la teoria atòmica va caure en l'oblit fins que la idea d'àtom va ser recuperada pel físic John Dalton al segle XIX.

Dalton va proposar un model d'àtom que ha anat evolucionant fins arribar al model d'àtom actual.

TEORIA ATÒMICA DE DALTONTEORIA ATÒMICA DE DALTON

El 1808, John Dalton (1766-1844) va publicar la seva teoria atòmica, que reprenia les antigues idees de Leucip i Demòcrit però basant-se en una sèrie d'experiències científiques de laboratori i fonamentant-ho a partir de les lleis clàssiques de la química.

El treball de Dalton va marcar el principi de l'era de la química moderna.

TEORIA ATÒMICA DE DALTONTEORIA ATÒMICA DE DALTON

Els postulats o principis fonamentals de la teoria atòmica de Dalton són:

1. La matèria està formada per partícules esfèriques, discretes, diminutes, i indivisibles anomenades àtoms.

2. Tots els àtoms d'un mateix element són idèntics, tenen la mateixa mida, massa i propietats químiques.

3. Els àtoms d'un element són diferents als àtoms de tots els altres elements.

4. Els compostos es formen en combinar els àtoms de dos o més elements en proporcions fixes i senzilles.

5. Els àtoms romanen inalterables en qualsevol procés químic. En les reaccions químiques, els àtoms ni es creen ni es destrueixen, només canvien la seva distribució.

MODEL ATÒMIC DE DALTON (1808)MODEL ATÒMIC DE DALTON (1808)

Dalton s'imaginava els àtoms com petites esferes.

Desprès de Dalton recuperés la idea d'àtom, molts científics van començar a imaginar con estaria format un àtom i començaren a proposar models a partir de les dades recollides de forma experimental.

MODEL ATÒMIC DE THOMSON (1897)MODEL ATÒMIC DE THOMSON (1897)Quan en un tub de vidre que conté un gas es fa parcialment el buit i s'aplica un voltatge de diversos milers de volts, flueix un corrent elèctric a través d'ell. Associat a aquest flux elèctric, el gas tancat al tub emet uns raigs de llum de colors, anomenats raigs catòdics, que són desviats per l'acció dels camps elèctrics i magnètics.

J.J. Thomson (1856 – 1940) va estudiar les propietats i efectes d'aquests raigs i va arribar a la conclusió que estaven constituïts per partícules, amb càrrega elèctrica negativa, dotades de gran velocitat, gairebé dos mil vegades més petites que l'àtom d'hidrogen. A més, les partícules eren idèntiques encara que canviés el gas del tub.

Els raigs catòdics... què són?

MODEL ATÒMIC DE THOMSON (1897)MODEL ATÒMIC DE THOMSON (1897)

Thomson va proposar un model d’àtom format per unes partícules amb càrrega negativa, els electrons, immerses en una massa esfèrica de càrrega elèctrica positiva, que donava com a resultat un àtom elèctricament neutre.

Aquest model es coneix amb en nom de model atòmic de púding de panses.

MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)El 1909, el neozelandès Ernest Rutherford (1871-1937) i els seus col·laboradors van bombardejar una fina làmina d'or amb partícules alfa (positives), procedents d'un material radioactiu, a gran velocitat.

L'experiment va permetre observar que la major part de les partícules van travessar la làmina sense canviar de direcció, algunes partícules es van desviar considerablement i unes poques partícules van rebotar cap a la font d'emissió.

MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)Rutherford, en vista dels resultats obtinguts en l'experiència de la làmina d'or bombardejada amb partícules α va arribar a les següents conclusions:

Explicació amb animació

• Com pràcticament totes les partícules alfa passen a través de la làmina sense desviar-se, s'ha de considerar que la matèria, i per tant, els àtoms estan gairebé totalment buits.

• Les partícules alfa que en travessar la làmina passen prop del nucli pateixen una gran desviació de la seva trajectòria (a causa de l'efecte de la repulsió entre càrregues positives).

• Un petit nombre de partícules alfa reboten, la qual cosa s'explica pel xoc de les partícules contra alguna cosa d'una gran massa i elevada càrrega positiva (nucli amb gairebé la totalitat de la massa).

Rutherford va establir l'anomenat model atòmic de Rutherford o model atòmic nuclear (també conegut com a model planetari):

MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD (1911)

L'àtom està format per dues parts: nucli i escorça.

- En el nucli es troba localitzada la quasi totalitat de la massa atòmica i tota la càrrega positiva (protons).

- Al voltant d'aquest nucli, i a grans distàncies d'ell, giren els electrons en l'escorça descrivint òrbites.

Encara que Rutherford va intuir l'existència de neutrons al nucli, va ser Chadwick (1891-1974) qui va demostrar la seva existència anys més tard.

Segons Rutherford, les òrbites dels electrons no estaven molt ben definides i formaven una estructura complexa al voltant del nucli, donant-li una grandària i forma indefinida.

LIMITACIONS DEL MODEL DE RUTHERFORDLIMITACIONS DEL MODEL DE RUTHERFORD

Aviat es va comprovar que l'àtom proposat per Rutherford era inestable:

D'acord amb les lleis de l'electromagnetisme, un electró que és accelerat o la direcció lineal és modificada, emet o absorbeix radiació electromagnètica.

L'electró de l'àtom de Rutherford modificava la seva direcció lineal contínuament, ja que seguia una trajectòria circular.

Per tant, hauria d'emetre energia i aquesta radiació causaria la disminució de l'energia de l'electró, que en conseqüència hauria de descriure una trajectòria en espiral fins a caure en el nucli, de manera que l'àtom es destruiria. Però això no succeeix!

LIMITACIONS DEL MODEL DE RUTHERFORD LIMITACIONS DEL MODEL DE RUTHERFORD

El model atòmic de Rutherford tampoc podia explicar el que s'observava en els espectres atòmics. El conjunt de línies que s'obtenien en fer emetre o absorbir radiacions per part dels àtoms era inexplicable amb el model de Rutherford.

Interpretant cada ratlla espectral com una transició d'un nivell energètic a un altre, es dedueix que no totes les òrbites són possibles.

SI VOLS CONÈIXER MÉS...SI VOLS CONÈIXER MÉS... (AMPLIACIÓ SOBRE ESPECTRES ATÒMICS) (AMPLIACIÓ SOBRE ESPECTRES ATÒMICS)

MODEL ATÒMIC DE BOHRMODEL ATÒMIC DE BOHR (1913)(1913)

Per solucionar aquests problemes, el físic danès, Niels Bohr (1885-1962) va aplicar la teoria quàntica de Max Planck i l'efecte fotoelèctric observat per Albert Einstein al model atòmic de Rutherford.

D'aquesta manera Bohr va aconseguir explicar molts dels experiments sobre l'emissió de llum dels àtoms.

SI VOLS CONÈIXER MÉS... (AMPLIACIÓ)

La teoria quàntica formulada per Max Planck l'any 1900 es pot resumir així:

- L'energia emesa o absorbida en forma de radiació electromagnètica no pot prendre qualsevol valor sinó que ha de ser un múltiple sencer d'un valor mínim, anomenat quàntum d'energia.

- L'energia d'un quàntum és proporcional a la freqüència de la radiació.

MODEL ATÒMIC DE BOHRMODEL ATÒMIC DE BOHR (1913)(1913)

Bohr afirmava que el moviment que descriuen els electrons (càrrega negativa) eren provocats per l’atracció de nucli (positiu), però per evitar que els electrons caiguin al nucli, aquests orbiten amb una velocitat que compensa la seva atracció elèctrica, de manera semblant a com passa en el Sistema Solar.

Això implicava una gran deducció:

El major èxit del seu model va ser l'explicació de l'espectre d'emissió de llum de l'hidrogen, associant cada línia espectral a un nivell energètic. La teoria de Bohr sobre l'àtom, va ser un dels moments crucials de la física.

Tretze anys després que Max Planck decidís incorporar el quàntum a la teoria de la llum, Bohr va introduir el quàntum a l'estructura atòmica i va proposar un nou model.

L'energia de l'electró dins l'àtom està quantificada. Això vol dir que l'electró només pot ocupar unes òrbites o estats estacionaris al voltant del nucli amb uns determinats valors d'energia.

MODEL ATÒMIC DE BOHRMODEL ATÒMIC DE BOHR

Els postulats del model atòmic de Bohr són:

- Els electrons giren al voltant del nucli en òrbites circulars estacionàries, sense emetre ni absorbir energia.

- Les òrbites circulars tenen radis definits, no totes les òrbites són possibles. Cadascuna d'elles correspon a un nivell d'energia determinat.

- Quan un electró guanya energia, salta del nivell estacionari a un nivell de major energia. Quan l'electró torni al seu nivell basal o estacionari alliberarà l'energia sobrant en forma de llum.

Només són possibles unes determinades òrbites. Cada òrbita està associada a un nivell d'energia. L'energia és major quan més allunyada està l'òrbita del nucli.

MODEL ATÒMIC DE BOHRMODEL ATÒMIC DE BOHR

EVOLUCIÓ DEL MODEL DE BOHREVOLUCIÓ DEL MODEL DE BOHREl model atòmic de Bohr també va haver de ser modificat en no poder explicar els espectres d'àtoms més complexos.

► Unes investigacions van demostrar que alguns nivells d'energia (n) tenien, al seu torn, subnivells.

► El 1916, Arnold Sommerfeld comprova que les òrbites també poden ser el·líptiques i més complexes.

► El 1924, Louis de Broglie proposa que l'electró tindria propietats ondulatòries i de partícules.

► El 1926, Werner Heisenberg proposa el Principi d'incertesa que estableix que és impossible determinar simultàniament la posició i velocitat exacta d'un electró.

► El 1927 el científic austríac Erwin Schrödinger (1887-1961) va desenvolupar la coneguda equació que porta el seu nom. Aquesta equació de funció d'ona servia per definir l'estat i el comportament dels electrons.

El model actual de l'àtom es basa en la mecànica quàntica ondulatòria, teoria desenvolupada durant la dècada de 1920 gràcies a les contribucions de destacats científics, entre ells Einstein, Planck, de Broglie, Bohr, Heisenberg i Schrödinger.

EL MODEL ACTUAL D'ÀTOMEL MODEL ACTUAL D'ÀTOMEl model actual d'àtom anomenat model orbital o quàntic-ondulatori es basa en l'equació proposada per Schrödinger i està fonamentat en quatre nombres quàntics, mitjançant els quals pot descriure un electró en un àtom.

La mecànica quàntica estableix que no es pot saber amb exactitud on es troba un electró, però sí que defineix una regió de l'espai al voltant del nucli atòmic en la qual la probabilitat de trobar l'electró és elevada. Aquesta regió s'anomena orbital.

ORBITAL ATÒMIC: és una zona de l'espai on existeix una alta probabilitat (superior al 90%) de trobar l'electró.

EVOLUCIÓ DELS MODELS ATÒMICS EVOLUCIÓ DELS MODELS ATÒMICS

PER AMPLIAR INFORMACIÓ...PER AMPLIAR INFORMACIÓ...

VÍDEOS

- Evolució dels models atòmics: Thomson, Rutherford, Bohr (en castellà)

- Animació sobre l'experiment de Rutherford (en anglès)

- Model de Bohr: absorció i emissió de fotons

- ¿Cómo ha cambiado nuestro concepto de átomo? (13 minuts)

- Quince minutos en la vida de un electrón (27 minuts)