Evolució dels Models Atòmics: De Dalton al Model Quàntic Actual

Model Atòmic de Dalton (s.XIX)

Els elements que constitueixen la matèria estan formats per partícules indivisibles i indestructibles: els àtoms.

• Els àtoms de diferents elements són diferents en massa i propietats.
• Els àtoms d'un element determinat són iguals en massa i propietats.
• Els compostos es formen per la unió d'àtoms en proporcions senzilles de nombres enters.

Avantatges del Model de Dalton

• Permet explicar la discontinuïtat de la matèria.
• Permet explicar les lleis ponderals.
• Permet explicar les relacions estequiomètriques.

Limitacions del Model de Dalton

• No pot explicar la divisibilitat de l'àtom.
• No pot explicar l'existència d'isòtops d'un mateix element.

Model Atòmic de Thomson (s.XX): Descobriment de l'Electró

L'àtom és una esfera amb càrrega elèctrica positiva i electrons amb càrrega negativa incrustats, com si fossin panses (el "púding de panses"). El conjunt és neutre.

Avantatges del Model de Thomson

• Permet explicar l'existència d'ions.
• Permet explicar la naturalesa elèctrica de la matèria.

Limitacions del Model de Thomson

• No explica que la massa i la càrrega positiva de l'àtom es concentrin al nucli.
• No explica la diferència entre el nucli i l'escorça atòmica.

Model Atòmic de Rutherford (s.XX): Protó i Nucli

L'àtom està pràcticament buit. La massa es concentra al nucli i la càrrega positiva també hi radica. Els electrons circulen en òrbites circulars al voltant del nucli. Un àtom és neutre quan el nombre de protons (p) és igual al nombre d'electrons (e). Els àtoms d'un mateix element tenen el mateix nombre de protons (Z), però poden tenir masses diferents.

Avantatges del Model de Rutherford

• Permet explicar l'existència d'isòtops.
• Permet explicar la reactivitat química.

Limitacions del Model de Rutherford

• No permet explicar el col·lapse de l'electró contra el nucli pel fet de ser una partícula carregada que gira.
• No permet explicar les línies espectrals.

Model Atòmic de Bohr (1913)

L'electró es mou en òrbites circulars al voltant del nucli sense emetre energia. L'energia de l'electró a l'àtom està quantitzada: l'electró només pot ocupar unes òrbites determinades amb uns valors d'energies determinats.

Quan un electró canvia d'òrbita, emet i absorbeix energia en forma de radiació electromagnètica. La diferència d'energia depèn de la freqüència d'absorció o de la constant de Planck.

Avantatges del Model de Bohr

• Permet interpretar correctament l'espectre d'emissió de l'hidrogen.

Limitacions del Model de Bohr

• No pot explicar les línies espectrals de la resta d'elements.

Ampliació del Model de Bohr i Nombres Quàntics

El nombre quàntic principal, n, indica l'òrbita on es troba l'electró i en determina la grandària.

Sommerfeld, el 1915, va determinar l'estructura fina de l'espectre i va proposar que, a més d'òrbites circulars, n'hi ha d'el·líptiques.

El nombre quàntic secundari, l, determina la forma de l'orbital.

El nombre quàntic d'spin, s, està associat a les propietats magnètiques de l'electró.

Valors dels Nombres Quàntics

• n: Nombre quàntic principal (grandària de l'òrbita).
• l: Nombre quàntic secundari (forma de l'orbital):
  • l=0 (orbital s)
  • l=1 (orbital p)
  • l=2 (orbital d)
  • l=3 (orbital f)
• s: Nombre quàntic d'spin (propietats magnètiques).

Model Quàntic de l'Àtom (Actual)

Els antecedents provenen de Louis de Broglie (1924) amb la hipòtesi de la dualitat ona-partícula, per exemple: la llum es comporta com una ona i com una partícula.

Després va aparèixer el principi d'incertesa de Heisenberg (1927), amb el qual es va adonar que no era possible conèixer la posició exacta d'un electró.

El model ondulatori de l'àtom de Schrödinger proposa que l'electró es comporta com una ona que obeeix una equació quàntica típica del moviment ondulatori. La solució d'aquesta equació permet calcular la probabilitat de trobar un electró en una determinada regió de l'espai, anomenada orbital.

Aquí apareix m, que és el nombre quàntic magnètic, el qual determina l'orientació de l'orbital a l'espai. Per indicar les tres dimensions s'usen els subíndexs.

El nombre quàntic d'spin, s, ja es va introduir anteriorment.