Models Atòmics: Descobriment i Evolució

Raigs Catòdics: El Descobriment de l'Electró

L'estudi de descàrregues elèctriques a través de gasos enrarits fou l'origen del descobriment de l'electró. Els gasos a la pressió atmosfèrica normal no condueixen el corrent elèctric; són aïllants gairebé perfectes, ja que en l'aire cal l'enorme diferència de potencial de 30.000 V perquè salti una guspira elèctrica entre dues esferes separades 1 cm. Si la distància augmenta, augmenta la diferència de potencial (d.d.p.) necessària perquè salti la guspira. En canvi, els gasos esdevenen cada cop més bons conductors de l'electricitat a mesura que disminueix la pressió a què són sotmesos; la diferència de potencial aplicada és elevada, de l'ordre de 5.000-10.000 V. Quan la d.d.p. emprada és d'uns 5.000 a 10.000 V i la pressió en l'interior del tub és d'uns 5 mm de Hg, s'observen una sèrie de descàrregues lluminoses que omplen tot l'espai comprès entre el càtode i l'ànode. Si la pressió del gas disminueix, desapareix la lluminositat; l'interior del tub està fosc i la paret oposada al càtode emet una llum verdosa, el vidre es torna fluorescent. Aquesta llum verdosa la produeix una mena de raigs que surten del càtode, per la qual cosa s'anomenen raigs catòdics. Es propaguen en línia recta, estan carregats amb càrrega negativa i tenen energia cinètica.

Raigs Catòdics: El Descobriment del Protó

El 1886, Goldstein, utilitzant tubs de descàrrega però amb càtode perforat, va observar unes radiacions que, procedent de l'ànode, passaven a través de les perforacions del càtode i xocaven contra la paret oposada a l'ànode. A aquestes radiacions les va anomenar raigs positius o raigs canals. Aquests raigs, a l'igual que els catòdics, també són desviats per l'acció de camps elèctrics (es desvien cap al pol negatiu de la placa) i per l'acció de camps magnètics (cap al pol sud d'un imant de ferradura). Això demostra que es tracta de partícules amb càrrega positiva, de massa més gran que la dels electrons. El 1911, Thomson va calcular la relació q/m per als raigs positius i va comprovar que aquesta relació depèn de la naturalesa del gas contingut en el tub. Quan el gas contingut en el tub és l'hidrogen (el gas més lleuger de tots), els raigs canals estan formats per àtoms d'hidrogen que han perdut un electró. Aquestes partícules positives més simples s'anomenen protons. La càrrega del protó és igual a la de l'electró però de signe contrari, però la seva massa és 1.841 vegades superior a la de l'electró. El descobriment d'aquestes partícules elementals constituents de la matèria va suggerir a Thomson la idea del primer model atòmic.

Model Atòmic de Thomson

Thomson havia demostrat que els electrons eren partícules constituents de l'àtom i, com que aquest havia d'ésser elèctricament neutre, va deduir que hi devien existir partícules carregades positivament. Com que la massa dels electrons respecte a la massa de l'àtom era molt petita, les partícules que més contribuïen a la massa atòmica havien d'ésser les carregades positivament. Thomson va elaborar el primer model atòmic suposant que l'àtom era una esfera carregada positivament d'una mida aproximada a 10^-10 m, en què els electrons es trobaven submergits en nombre suficient per a aconseguir la neutralitat elèctrica.

Model Atòmic de Rutherford

Per comprovar experimentalment el model, van fer incidir sobre una làmina d'or prima un feix de partícules alfa provinents de la desintegració d'una font radioactiva. Davant i darrere de la làmina d'or es van col·locar unes pantalles recobertes de sulfur de zinc, les quals, sotmeses als xocs de les partícules alfa, es tornen fluorescents i produeixen un centelleig a cada xoc. Els resultats foren inesperats. La major part de les partícules alfa travessaven la làmina sense desviar-se, unes poques es desviaven angles molt grans i unes altres fins i tot es reflectien. Rutherford demostrà que podia explicar els resultats obtinguts si la càrrega positiva i la massa de l'àtom es trobaven concentrades en una zona reduïda d'aquest, que anomenà nucli. Les dimensions del nucli serien insignificants respecte a l'àtom i, conseqüentment, els electrons havien de ser a grans distàncies del nucli en una zona anomenada embolcall. L'espai entre el nucli i els electrons seria buit.

Classificació dels Espectres

A) Espectres d'emissió: S'originen com a conseqüència de l'emissió de la llum per part d'alguna substància. Es classifiquen en:

• A) Espectres continus: Abasten totes les longituds d'ona, passant de les unes a les altres gradualment, i s'obtenen quan el focus lluminós és un sòlid o un líquid incandescent.
• B) Espectres discontinus: Sèrie de ratlles brillants sobre un fons fosc i s'observen en analitzar la llum emesa per gasos a baixa pressió o per una substància volatilitzada en una flama. Cada ratlla de l'espectre discontinu correspon a una radiació d'una determinada longitud d'ona i d'una freqüència característica de la substància.

B) Espectres d'absorció: Tota substància és capaç tant d'emetre com d'absorbir determinades radiacions. Si col·loquem un vidre roig entre un focus emissor de llum blanca i el diafragma de l'espectròmetre, aquest vidre absorbirà unes determinades radiacions d'aquesta llum blanca, que seran les corresponents al color roig. Però si en el camí de la llum blanca intercalem un tub que conté gas hidrogen a baixa pressió, l'espectre observat és un espectre continu amb quatre ratlles negres, ja que l'hidrogen ha absorbit 4 radiacions de la llum blanca que coincideixen amb les radiacions observades en l'espectre d'emissió de l'hidrogen. Si nosaltres superposéssim l'espectre d'emissió i l'espectre d'absorció de l'hidrogen, veuríem que coincideixen, ja que són complementaris. Per tant, l'espectre d'absorció d'una substància és un espectre obtingut quan una radiació passa a través de la substància i aquesta substància intercalada absorbeix determinades radiacions, que són les que no apareixen en l'espectre i surten en el seu lloc unes ratlles fosques que ocupen la mateixa posició de les ratlles brillants de l'espectre d'emissió discontinu de la substància.

Interpretació dels Espectres Atòmics

Els espectres atòmics s'originen a partir de l'energia radiant emesa pels àtoms quan són prèviament excitats, és a dir, quan se'ls comunica energia per acció tèrmica, lluminosa o qualsevol altra. Experimentalment s'observa que els espectres d'emissió estan constituïts per un conjunt de ratlles que, suficientment dispersades pel prisma, es poden observar separadament. Són, doncs, espectres d'emissió discontinus, cosa que ens indica que l'àtom ha emès energia de manera discontínua. Els espectres d'absorció també ens indiquen que els àtoms només absorbeixen energia d'unes determinades longituds d'ona i freqüència: l'absorció d'energia pels àtoms és discontínua. El fet que els àtoms puguin absorbir o emetre radiació electromagnètica de forma discontínua no es pot interpretar amb les lleis de la física clàssica i, per tant, no es pot explicar amb el model de Rutherford. Segons aquest model, l'àtom està constituït pel nucli, on està concentrada la càrrega positiva i gairebé tota la massa, i l'embolcall, on es mouen els electrons girant al voltant del nucli. Perquè l'electró tingui un moviment de rotació, hi ha d'actuar una força centrípeta; per tant, tindrà una acceleració centrípeta. I, segons la teoria electromagnètica, l'electró perdria energia i, per tant, velocitat d'una manera contínua i acabaria caient en el nucli; els àtoms serien inestables, la qual cosa no ocorreix, ja que, si ho fossin, la Terra no existiria.

Model Atòmic de Bohr

El 1913, Bohr, basant-se en la teoria quàntica de Planck, va proposar una altra teoria per explicar l'estabilitat de l'àtom d'hidrogen (H) i per a interpretar el seu espectre. L'àtom d'H, amb un únic protó al nucli i amb un únic electró al voltant, és l'àtom més senzill. A finals del segle XIX es va observar que les freqüències de l'espectre de l'àtom d'H es podien agrupar en conjunts anomenats sèries espectrals.