Evolució dels Models Atòmics: De Demòcrit a Bohr

Introducció a la Teoria Atòmica

Fa 2500 anys, Demòcrit va dir que la matèria estava feta de partícules indivisibles.

Teoria Atòmica de Dalton

Al segle XVIII, basant-se en la llei de conservació de la massa i la llei de les proporcions constants, Dalton va proposar la seva teoria atòmica:

1. Els elements químics estan formats per partícules anomenades àtoms.
2. Els àtoms del mateix element són iguals tant en la massa com en la resta de les seves propietats.
3. Els àtoms d'elements diferents tenen diferents la massa i la resta de les propietats.
4. Els àtoms d'elements diferents s'uneixen entre si per formar compostos.

Naturalesa Elèctrica de la Matèria

Les càrregues elèctriques del mateix signe (positives o negatives) es repel·leixen. Les càrregues elèctriques de diferent signe (positives i negatives) s'atrauen.

Descobriment de l'Electró

Fins al segle XIX, diversos experiments van posar de manifest que la matèria tenia propietats elèctriques, la qual cosa demostrava l'existència de partícules més petites que l'àtom. Per això, es va posar en pràctica l'experiment dels raigs catòdics. Els electrons són partícules que constitueixen els raigs catòdics; tenen massa i la seva càrrega és negativa.

Descobriment del Protó

Entre altres experiments duts a terme a finals del segle XIX, destaca el que va confirmar l'existència del protó. Per això, es va posar en pràctica l'experiment dels raigs canals. El protó és una partícula amb càrrega positiva de valor igual a la de l'electró, però amb una massa gairebé 2000 vegades més gran.

Model Atòmic de Thomson

Tots aquests experiments duts a terme per conèixer l'estructura de la matèria mostraven que els àtoms no eren indivisibles. S'havia aconseguit demostrar que:

1. L'àtom és divisible, està format per altres partícules més petites que tenen càrrega elèctrica.
2. Els electrons són partícules subatòmiques que tenen càrrega negativa i una massa molt petita comparada amb la de l'àtom.
3. La major part de la massa de l'àtom té càrrega positiva, i són els protons.
4. Com que normalment la matèria és neutra, s'ha de suposar que el nombre de càrregues negatives i de càrregues positives en els àtoms que la formen és el mateix.

El Model de Thomson

Aquest model explicava els experiments amb tubs de gasos que s'havien dut a terme en aquella època i també altres observacions clau:

• Els fenòmens d'electrització: els cossos s'electritzen quan es carreguen elèctricament, i això passa si guanyen o perden electrons.
• La formació d'ions: és a dir, l'existència d'àtoms amb càrrega elèctrica.

Concepte d'Ió

Un ió és un àtom o un grup d'àtoms carregats elèctricament. Si un àtom o un grup d'àtoms perd algun electró, queda carregat amb càrrega positiva; és un ió amb càrrega positiva que rep el nom de catió. Si un àtom o un grup d'àtoms guanya algun electró, queda carregat amb càrrega negativa; és un ió amb càrrega negativa que s'anomena anió.

Model Atòmic de Rutherford

La Radioactivitat

Alguns fenòmens, com l'electrització de la matèria o les experiències en tubs de descàrrega, ja havien posat de manifest que l'àtom no era tan simple. Un altre fenomen que confirmava aquesta complexitat eren els estudis de materials radioactius. Aquests estudis van concloure que existien tres radiacions diferents.

Tipus de Radiacions

El físic Ernest Rutherford va anomenar aquestes radiacions:

• Alfa (α): partícules de càrrega positiva i massa gran, són nuclis d'heli (dos neutrons i dos protons). Tenen molt poc poder de penetració; n'hi ha prou amb un full de paper per aturar-les.
• Beta (β): partícules de càrrega negativa, gairebé sense massa. En realitat, es tracta d'electrons a gran velocitat. Són més penetrants que les partícules α; caldria una làmina d'alumini per aturar-les.
• Gamma (γ): es tracta d'una radiació semblant a la de la llum, invisible, amb molta més energia i un alt poder de penetració. Faria falta un bloc de formigó gruixut per aturar-la.

El Model Atòmic de Rutherford

El model atòmic de Rutherford resultava anàleg a un sistema planetari, en el qual el nucli es correspondria amb el Sol i els electrons serien els planetes. Aquest model de l'àtom es va anomenar model nuclear.

Descobriment del Neutró

Rutherford va trobar dos problemes en el seu propi model:

1. La massa real d'un àtom era molt més gran (pràcticament el doble) de la que s'obtenia si se sumaven la massa dels protons i els electrons que el formaven.
2. Els protons, amb càrrega positiva, haurien de patir la repulsió elèctrica entre si al nucli, de manera que el nucli es desintegraria.

Rutherford va suposar que al nucli hi havia d'haver altres partícules de massa semblant a la dels protons, que el farien estable i que no es podien detectar perquè no tenien càrrega. Les va anomenar neutrons.

Model Atòmic de Bohr

Bohr va dir que els electrons es mouen en unes òrbites determinades amb un cert valor d'energia (nivell d'energia). Més tard, es va arribar a la idea d'orbital, que és una zona de l'espai on hi ha una probabilitat del 95% de trobar un electró. La configuració electrònica ens indica com es col·loquen els electrons en aquests orbitals dels àtoms, segons el seu valor d'energia.

Nombre Atòmic i Nombre Màssic

El nombre atòmic (Z) és el nombre de protons d'un àtom i és característic de cada element. El nombre màssic (A) és la suma del nombre de protons (Z) i de neutrons (N) que té un àtom: A = Z + N. Per tant, el nombre de neutrons és N = A - Z.

Massa Atòmica

La unitat de massa atòmica (u) és la dotzena part de la massa d'un àtom de l'isòtop carboni-12: 1 u = m(¹²C)/12.

A - Z +/- N

Isòtops

Els isòtops són àtoms d'un mateix element químic i, per tant, tenen el mateix nombre de protons, però tenen diferent nombre de neutrons. És a dir, tenen el mateix nombre atòmic (Z) i diferent nombre màssic (A).

Càlcul de la Massa Atòmica Mitjana

Per calcular la massa atòmica d'un element, s'ha de trobar la mitjana ponderada de les masses dels diferents isòtops que el formen.

Aplicacions dels Radioisòtops

• Medicina: Radioteràpia, que s'empra per destruir tumors. Medicina nuclear, que serveix per fer diagnòstics (ressonàncies, proves radiològiques, etc.).
• Arqueologia: L'isòtop del carboni-14 (¹⁴C) s'usa per determinar l'antiguitat de restes arqueològiques.
• Indústria: Per esbrinar si hi ha defectes de fabricació en algunes peces.
• Agricultura: Conservació d'aliments, ja que la radiació destrueix els microorganismes. Millora de les collites, ja que els radioisòtops informen de com es produeix l'absorció de nutrients a les plantes.
• Energia elèctrica: L'urani i el plutoni s'aprofiten a les centrals nuclears per produir electricitat.