Descobriment de l'Electró, Protó i Neutró: Evolució dels Models Atòmics

Descobriment de l'Electró

• Michael Faraday

El físic i químic britànic Michael Faraday (1791-1867) va intentar produir descàrregues elèctriques en recipients en què havia fet un buit parcial. Va apreciar només unes febles luminescències, perquè el grau de buit del recipient no era elevat.

• Heinrich Geissler

El físic i inventor alemany Heinrich Geissler (1860-1930) va idear una bomba de buit connectada a un tub amb dos elèctrodes metàl·lics. En connectar els elèctrodes a un generador elèctric, s'observava una luminescència que unia els dos elèctrodes.

• J. J. Thomson

El matemàtic i físic britànic J. J. Thomson (1856-1940), utilitzant un tub de descàrrega de gasos, en el qual s'havia millorat el buit fet en el seu interior, i amb un gran voltatge entre els seus elèctrodes, va observar una feble fluorescència en el fons del tub, enfront del càtode, com a conseqüència del xoc d'uns suposats rajos procedents de l'elèctrode negatiu (càtode), per la qual cosa es van anomenar rajos catòdics.

Descobriment del Protó

L'any 1886, el físic alemany Eugen Goldstein (1860-1930) descobreix, en un tub de rajos catòdics amb el càtode perforat, una fluorescència, com s'observa a la figura. Això només pot explicar-se amb l'existència d'unes radiacions de càrrega positiva que viatgen en sentit contrari als rajos catòdics. Aquestes radiacions les va anomenar rajos canals, ja que travessaven els canals del càtode.

Goldstein va mesurar la relació càrrega/massa del protó i va veure que, al revés del que succeïa amb l'electró, aquesta relació sí que depenia del gas que es trobés a l'interior del tub. Quan el gas era l'hidrogen, el gas més lleuger, les partícules eren les de menor massa, i les va anomenar protons. El protó és una partícula amb càrrega positiva de valor igual al de la càrrega de l'electró, però amb una massa quasi 2000 vegades més gran.

càrrega: q_p = 1,602 · 10^-19 C massa: m_p = 1,6725 · 10^-27kg

Primera Aproximació a l'Estructura de l'Àtom

Totes aquestes experiències en tubs de descàrrega van desembocar en una sèrie de primeres conclusions sobre l'estructura de l'àtom, algunes de les quals contradeien la teoria atòmica de Dalton:

• L'àtom és divisible, està format per altres partícules més petites que tenen càrrega elèctrica.
• Els electrons són partícules subatòmiques que tenen càrrega negativa i una massa molt petita comparada amb la de l'àtom.
• La major part de la massa de l'àtom té càrrega positiva i són els protons.
• Si és inicialment neutre, s'ha de suposar que el nombre de càrregues negatives i de càrregues positives de l'àtom és el mateix.

Model Atòmic de Rutherford

El físic i químic Ernest Rutherford, el 1911, va idear un model atòmic basat en l'experiment que es va fer en el laboratori que dirigia. Va bombardejar una làmina molt fina d'un metall (or) amb partícules α que procedien d'un material radioactiu. Aquestes partícules de gran massa i càrrega positiva s'usaven com a projectils.

Els resultats observats van ser espectaculars:

• Quasi totes les partícules travessaven la làmina d'or sense desviar-se.
• Algunes partícules es desviaven lleugerament.
• Molt poques partícules rebotaven a la làmina.

Model Atòmic de Thomson

J. J. Thomson va ser el primer que va suposar que l'àtom tenia una estructura interna i, l'any 1904, va idear un model per a l'àtom basant-se en les experiències dutes a terme en els tubs de descàrrega de gasos.

Va imaginar l'àtom com una esfera petita de matèria carregada positivament, en la qual hi havien incrustats els electrons en un nombre tal que el conjunt era elèctricament neutre (+).

Els electrons tenen una massa molt petita; per tant, la càrrega positiva seria la responsable de quasi tota la massa de l'àtom (electró: -).

A causa de l'aparença que tenia aquest model, es va anomenar púding de panses.

Aquest model pot semblar antiquat; no obstant això, ha estat vàlid durant bastants anys, ja que explica alguns fets experimentals.

Fets Experimentals que Explica el Model de Thomson

• Les experiències observades en els tubs de descàrrega de gasos.
• Els fenòmens d'electrització: els cossos s'electritzen quan es carreguen elèctricament, i això succeeix si guanyen o perden electrons.
• La formació d'ions.

Descobriment del Neutró

A Rutherford no li sortien els comptes: la massa dels àtoms era pràcticament el doble que la que s'obtenia en sumar la massa dels protons i dels electrons.

A què era deguda, llavors, aquesta diferència? I, a més, com podien romandre els protons, sent càrregues del mateix signe, tan junts i en un espai tan reduït si es repel·lien entre ells?

Rutherford va suposar llavors que en el nucli havien d'existir altres partícules de massa semblant a la dels protons, però neutres (sense càrrega), les quals va anomenar neutrons. Aquestes partícules teòriques evitarien que els nuclis es desintegressin com a conseqüència de la gran repulsió electrostàtica a què estan sotmesos els protons entre si.

D'aquesta manera, excepte l'hidrogen, que és l'àtom més lleuger amb només un protó en el nucli, tots els altres àtoms contenen neutrons.

El 1932, el físic anglès James Chadwick va aconseguir identificar el neutró, partícula sense càrrega elèctrica i de massa semblant a la del protó.

Característiques de l'Àtom de Bohr

• L'Electró Gira en Òrbites Circulars

L'electró gira en unes òrbites circulars, denominades òrbites permeses o estacionàries, en les quals no emet energia.

Totes les altres òrbites són prohibides, per la qual cosa l'electró no pot situar-se entre dues òrbites permeses.

• L'Electró té Energia

L'electró té una energia determinada en cada una de les òrbites. Aquesta energia és més gran com més allunyada es troba l'òrbita del nucli. Per aquesta raó, Bohr va anomenar cada òrbita nivell d'energia.

• L'Electró Salta d'una Òrbita a una Altra

Quan l'electró adquireix l'energia suficient, salta d'una òrbita a una altra superior. Quan deixa de rebre aquesta energia, torna a la seva òrbita primitiva i emet l'energia que li sobra en forma de llum, visible o no.

A: nombre màssic= p+N

X

Z: protons=electrons, nombre atòmic

3: protó+neutró

H (2 neutrons)

1: protó

Exemple:

Àtom Guanya/perd electrons Ió resultant

H perd un electró H⁺

K perd un electró (19) H⁺

Cl Guanya un electró Cl^-

Exemple configuració electrònica:

Ag(60): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4t⁴