EXPLORACIÓ D’UN DESCOBRIMENT ESTRUCTURA ATÒMICA EXPLORACIÓ D’UN DESCOBRIMENT

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808): Després que els alquimistes intentaren la transmutació del plom en or, els químics, al segle XVIII establiren que: Element era una substància que no podia descompondre’s en altra per mètodes químics o físics.

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808): Dalton (1766-1844) s’estranyava que l’aire, a distintes altures tingués la mateixa composició, malgrat que els components tingueren distinta densitat. Més tard, se pensà que la causant de la difusió d’uns elements en altres, per donar la mescla homogènia que és l’aire - sense grans diferències d’altitud – era l’agitació tèrmica de les molècules.

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808): Els elements són formats per àtoms indivisibles i inalterables Tots els àtoms d’un element són idèntics en massa i propietats. Els àtoms de diferents elements són diferents en massa i propietats. Els composts es formen per la unió d’àtoms en proporció constant i senzilla. La matèria no es infinitament divisible i els elements no se poden transmutar uns en els altres.

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES: a) Llei de conservació de la massa (Lavoisier): A les reaccions químiques, els àtoms ni se creen ni se destruïxen, només canvia la seua distribució. Si els àtoms són inalterables, no se transformen, aleshores, la matèria deu mantenir-se constant. 

Llei de les proporcions definides (Proust): 2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES: Llei de les proporcions definides (Proust): La relació de masses que intervenen en una reacció química és constant.   El nombre d’àtoms dels elements que composen el compost químic és el mateix sempre que se tracte del mateix compost.  Siga quina siga la forma d’obtenir un compost químic, l’estat en que se trobe: gas, líquid o sòlid, la proporció en massa dels elements que el componen és constant. És a dir, la proporció en massa, en l’aigua, és de 1 a 8 entre l’hidrogen i l’oxigen perquè la proporció entre els àtoms és fixa de 2 a 1 i cada àtom d’oxigen és 16 voltes més pesat que un d’hidrogen, com sabem ara, encara que llavors no ho podia saber encara Dalton. És a dir, que la hipòtesi de l’existència d’àtoms, explicava esta regularitat en la  proporció en massa de forma satisfactòria.

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES: Llei de les proporcions múltiples (Dalton):     Les quantitats d’un element que s’uneixen amb una quantitat definida d’un altre estan en relació de números enters senzills. Per exemple:             En l’aigua la proporció entre la massa de l’hidrogen i de l’oxigen és de 1 a 8, mentre que a l’aigua oxigenada és de 1 a 16. Llavors, d’acord amb l’enunciat anterior hem de comparar les quantitats d’oxigen que s’uneixen amb 1 d’hidrogen en els dos casos, és a dir 8 i 16 que, efectivament estan en relació de números enters senzills: 1 a 2. I és normal perquè, en l’aigua se combinen 2 àtoms d’hidrogen amb un d’oxigen (H 2 O), mentre que en l’aigua oxigenada ho fan dos amb dos (H 2 O2 ) , en proporció, un amb un. És a dir, si comparem només les dos proporcions d’oxigen, la  relació és de 1 a 2.

VOLUMS DELS GASOS QUE SE COMBINEN PER REACCIONAR GAY-LUSSAC (1808):    En l’experiment en que se feien explotar hidrogen i oxigen en forma de gas per obtenir vapor d’aigua, s’observà que la proporció dels volums d’un i altre era de 2 volums d’hidrogen amb 1 volum d’oxigen per formar 2 volums d’aigua.

VOLUMS DELS GASOS QUE SE COMBINEN PER REACCIONAR GAY-LUSSAC (1808):    Conclusió:       Al reaccionar els gasos, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, se combinen segons relacions volumètriques molt senzilles.

4. HIPÒTESI D’AVOGADRO PER ALS GASOS (1811): El volum que devien ocupar les molècules dels gasos devia se menyspreable respecte del volum total del recipient que el conté, així que era raonable postular que:     En volums iguals de dos gasos n’hi ha la mateixa quantitat de molècules d’un que de l’altre. Sempre que els dos estiguen a la mateixa pressió i temperatura. O             O  O      +     O  ===>        O Gas        Gas            Vapor hidrogen  oxigen        d’aigua     Cada O representa una unitat de volum a pressió i temperatura iguals.    Com se pot vore immediatament, si en cada volum n’hi hagués una sola molècula H2 o bé O2 , el vapor d’aigua ha d’estar format per molècules H2O si volem que se conserven els àtoms com hem dit abans. Este model dels gasos va explicar perquè gasos de grans molècules podien ocupar el mateix volum que el mateix nombre de petites molècules. En concret, 6,023 · 1023 molècules de qualsevol gas ocupen 22,4 litres a 0ºC i 1 atm de pressió.    Només falta explicar com és que dos àtoms iguals podien unir-se per formar molècules diatòmiques, i això no serà explicat fins a més d’un segle després amb la teoria quàntica.

5. EXPERIÈNCIES QUE CONDUÏREN A LA TEORIA ATÒMICA MODERNA 5.1 SEPARACIÓ DELS ELECTRONS DE LA RESTA DE L’ÀTOM. 5.1.1. OBTENCIÓ DE CORRENT ELÈCTRIC EN CANVIS QUÍMICS I VICEVERSA (FARADAY). 5.1.2.    RAJOS CATÒDICS (J.J.THOMPSON

5.1.1 OBTENCIÓ DE CORRENT ELÈCTRIC EN CANVIS QUÍMICS I VICEVERSA (FARADAY) Un corrent elèctric demostrà la seua capacitat de descompondre en els seus elements substàncies compostes.     Quant fem passar un corrent elèctric per una dissolució de sal comuna (NaCl), els àtoms de sodi es dirigeixen cap al pol negatiu (càtode) i els àtoms de clor cap al pol positiu (ànode). Segons això, els àtom de sodi han d’estar carregats positivament i els de clor negativament, i la càrrega negativa responsable de la neutralització d’eixos ions (l’electró) ha hagut de circular pel conductor exterior que uneix ànode i càtode.

5.1.2. RAJOS CATÒDICS (J.J.THOMPSON)         Com a conseqüència, se pensà que se produïa una escissió de l’àtom en dues parts, una positiva i altra negativa, comuna a tots els àtoms: l’electró. De manera anàloga a com s’havia fet per als líquids, se va fer amb els gasos.     Emprant un tub en què la pressió era molt baixa, s’aplicà un camp elèctric, de manera que les molècules del gas se separaren en dos parts que viatjaven en sentits oposats, una part cap a l’ànode i altra cap al càtode.     Es va vore que la que viatjava cap a l’ànode era igual per a tots els gasos, mentre que la que viatjava cap al càtode depenia del gas que es tractés. 

5.2 MODEL ATÒMIC DE THOMPSON:    L’àtom tindria una massa repartida uniformement i contínuament on estarien els electrons inserits com a grànuls separats i repartits per equilibrar la càrrega positiva. Se basa en els resultats de les experiències anteriors i, per tant té en compte els següents trets: a)    Neutralitat elèctrica de la matèria. b)    Presencia d’electrons en tot tipus de matèria. c)    Possibilitat d’extraure’n els electrons i no les càrregues positives.     D’acord amb això, l’àtom tindria una massa repartida uniformement i contínuament on estarien els electrons inserits com a grànuls separats i repartits per equilibrar la càrrega positiva. (pastis de panses).

5.3 EXPERIÈNCIA DE RUTHERFORD: Bombardejà làmines de diversos metalls amb partícules a procedents d’una mostra de radi, observant els següents fets: a)    Quasi totes les partícules a ultrapassen la làmina sense a penes experimentar desviació. b)    Un percentatge molt petit se desvien. c)    Un nombre extraordinàriament petit reboten de la làmina.

5.4 MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD   La interpretació que Rutherford feu dels resultats de l’experiència anterior fou: a)    Si la majoria de les partícules passen sense desviar-se, vol dir que l’àtom és buit en la immensa major part del seu volum. b)    Les partícules alfa ( nuclis de He carregats positivament) que s’aproximen on és la càrrega positiva se desvien segons la proximitat a la que passen a la càrrega positiva de l’àtom. c)    Si algunes reboten cap arrere, és perquè ha d’haver un nucli on estiga concentrada la càrrega positiva de l’àtom, responsable de tan tremenda repulsió. d)    Els electrons hauran d’estar girant al voltant d’eixe nucli com en un sistema planetari.

5.4 MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD 5.4.1 PROBLEMES DEL MODEL Les càrregues radiarien, per estar en un moviment accelerat com és qualsevol moviment circular (aN ), de manera que no podrien mantenir-se en eixes òrbites i caurien irremissiblement  sobre el nucli, de càrrega positiva! Encara que els electrons giren al voltant del nucli no podrien mantenir-se en les òrbites. La qual cosa faria la matèria totalment inestable, en oposició al que podem constatar amb la nostra experiència quotidiana.

5.5 ALTRES EXPERIÈNCIES 5.5.1 RADIOACTIVITAT 5.5.2 DISPERSIÓ CROMÀTICA DE LA LLUM BLANCA 5.5.3 OBTENCIÓ D’ESPECTRES D’EMISSIÓ I ABSORCIÓ

5.5.1 RADIOACTIVITAT (BECQUEREL)     L’existència de la radioactivitat, només pot explicar-se si suposem que dins de l’àtom n’hi ha partícules més petites que els propis àtoms. En 1896 se descobrí fortuïtament la radioactivitat natural observant que algunes substàncies impressionen les plaques fotogràfiques quan són a prop d’elles. Amb l’experiment se demostrà l’existència de tres radiacions diferents que emetien eixes substàncies: a)    Radiació alfa : constituïda per partícules de massa pareguda a la del gas noble He i de càrrega positiva. b)    Radiació beta :  electrons  a velocitats pròximes a la de la llum. c)    Radiació gamma:  ones electromagnètiques de alta freqüència.

5.5.2 DISPERSIÓ CROMÀTICA DE LA LLUM BLANCA (NEWTON) Al segle XVII, ja havia descompost i recompost un feix de llum blanca en els seus colors components, que s’observaven com a franges contínues, tot fent-lo passar per un prisma i després per un altre.

5.5.3 OBTENCIÓ D’ESPECTRES D’EMISSIÓ I ABSORCIÓ (KIRCHOFF I BUNSEN) Quan un element, en estat gasós, s’escalfa o s’excita mitjançant una descàrrega elèctrica, emet una radiació amb una descomposició espectral característica d’eixe element que constitueix el seu espectre d’emissió. Este espectre d’emissió és de ratlles discontínues, les quals corresponen a distintes freqüències, que, com hem dit seran la marca característica d’eixe element.     Si se fa passar llum blanca a través d’un gas incandescent, aquest absorbeix part de la llum i, si analitzem la que passa al seu través sense ser absorbida, obtenim un espectre de ratlles de distints colors i de ratlles negres que és el seu  espectre d’absorció.         També s’observà que cada element absorbeix, exactament, les mateixes radiacions lluminoses que és capaç d’emetre en excitar-lo. Espectres d’emissió i absorció del Mercuri

6. EXPERIÈNCIES QUE CONDUÏREN A LA TEORIA ATÒMICA QUÀNTICA 6.1 Potencial de ionització d’àtoms aïllats 6.2 Primer potencial de ionització dels elements del Sistema Periòdic 6.3 Model atòmic de capes electròniques 6.4 Radiació energètica del cos negre 6.5 Efecte fotoelèctric 6.6 Naturalesa corpuscular dels fotons (efecte Compton)

6.1 POTENCIAL DE IONITZACIÓ D’ÀTOMS AÏLLATS L’energia de ionització és l’energia necessària per arrancar un electró a un àtom.

Na+     5,12 Na++     47,3 Na3+     71,5 Na4+     98,9 Na5+     139 Na6+     173 Na7+     209 Na8+     264 Na9+     300 Na10+     1460 Na11+     1700 Les successives energies de ionització del sodi – és a dir l’energia necessària per anar extraguent nous electrons a un àtom – són les següents: De la taula anterior, se pot deduir, que n’hi ha tres ordens de magnitud segons allò interiors que siguen els electrons que s’extrauen de l’àtom, és a dir, com si hi estigueren distribuïts en tres capes.

6.2 PRIMER POTENCIAL DE IONITZACIÓ DELS ELEMENTS DEL SISTEMA PERIÒDIC A la figura hem representat la primera energia de ionització dels elements del Sistema Periòdic segons el seu nº atòmic. Podem interpretar-la també com a que estos electrons més externs d’àtoms de distints elements estan en la mateixa o en distinta capa que els dels altres elements del Sistema Periòdic.  Per exemple:     L’hidrogen – primera de les energies de ionització representades – tindria l’electró extret en la mateixa capa que el de l’heli. Als del Sodi i Magnesi els ocorreria el mateix i després tornaria a ocórrer el mateix amb els següents sis elements, és a dir amb Al, Si, P, S, Cl i Ar què, per tant, tindrien el seu últim electró – l’electró extret – en la seua darrera capa electrònica, és a dir, la 3ª.

6.3 MODEL ATÒMIC DE CAPES ELECTRÒNIQUES De les experiències anteriors doncs podem deduir que: a)    els electrons estan distribuïts en un àtom per capes. b)    Que segons van omplint-se eixes capes, en augmentar el nombre d’electrons dels àtoms – en augmentar el número atòmic Z – l’últim electró és d’una capa electrònica més exterior i, per tant, costa menys energia extraure’l.

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE Des de Hertz (1857-94) se sabia que la emisió de la radiació era deguda a les ones electromagnètiques emeses per oscil·ladors – càrregues oscil·lants – de manera que totes les freqüències estan presents en eixes emissions i se n’obté un espectre continu.         En la teoria clàssica l’energia E, emesa o absorbida, per un oscil·lador pot variar d’una manera contínua des de zero fins a qualsevol valor. Quan un oscil·lador individual absorbeix o radia energia, només varia la seua amplitud de vibració i la seua freqüència se manté constant.

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE Kirchoff havia descobert en 1859 que el poder emissor d’una superfície era proporcional al seu poder absorbent. Així doncs, una superfície que absorbís totes les radiacions seria el millor emissor de radiació, és a dir, això seria una propietat d’un cos de color negre absolut. Doncs be, se va fer la prova i va eixir una gràfica de l’energia emesa per a cada longitud d’ona, que no va tenir explicació fins que Max Plank va admetre que l’emissió d’energia pels àtoms, no podia fer-se de forma contínua, és a dir, en totes les freqüències, sinó que havia de fer-se només en algunes freqüències permeses. Lo qual planteja la problemàtica de com pot passar a emetre el cos d’unes a altres si no pot passar per les intermèdies. Emisió del cos negre a 10.000 K

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE D’ací l’estranya explicació de Max Plank: a)    Un oscil·lador atòmic només pot tenir determinades energies que són múltiples enters de hf.                             E = nhf     b)    Un oscil·lador atòmic radia només quan passa d’un valor permés de la seua energia al valor pròxim permés menor i la radiació serà h f. de l’emissió del cos negre, que, per no aventurar-se massa va enunciar dos postulats: On h és l’anomenada constant de Plank i f és la freqüència de la radiació.     Cal observar doncs que això estaria en consonància amb l’existència d’espectres d’emissió i absorció de ratlles, discrets, discontinus. Doncs esta experiència condueix a un model de l’àtom d’oscil·lador discontinu.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC Se va comprovar que, quan la llum incideix sobre un metall, aquest emet electrons. Llavors se va fer una experiència en la que s’il·luminava un metall (càtode) i els electrons emesos eren atrets per l’ànode tancant un circuit i produint-se, per tant, un corrent elèctric.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC Segons el feix lluminós fora més intens, pel que se sabia sobre les ones, deuria produir-se un augment de l’energia adquirida pels electrons – en una ona l’energia és proporcional a la intensitat d’aquesta – i, en conseqüència una eixida més ràpida d’aquestos. Doncs bé, això no és així, l’energia dels electrons resulta ser independent de la intensitat de l’ona incident. L’experiència conduí als següents resultats: 1)    Si la llum que incideix sobre el càtode és monocromàtica, el nombre d’electrons emesos pel metall en la unitat de temps és directament proporcional a la intensitat de la llum. 2)    Els electrons de massa me i càrrega q·e  ixen del metall amb una energia cinètica 1/2 mv2 .     Per determinar aquesta energia s’inverteix la connexió de la bateria. La diferencia de potencial entre les plaques VCA retardarà el moviment dels electrons.     Suposem que augmentem VCA fins que el corrent fotoelèctric s’anul·la, llavors, el treball retardador VCA ·q e = 1/2 me ·v 2max   . Suposem que variem la intensitat del feix de llum monocromàtica que incideix sobre el càtode, llavors els electrons deurien escapar amb un romanent d’energia cinètica.  Segons el feix lluminós fora més intens, pel que se sabia sobre les ones, deuria produir-se un augment de l’energia adquirida pels electrons – en una ona l’energia és proporcional a la intensitat d’aquesta – i, en conseqüència una eixida més ràpida d’aquestos. Doncs bé, això no és així, l’energia dels electrons resulta ser independent de la intensitat de l’ona incident. Ara bé, en augmentar la intensitat de l’ona incident, el que sí s’observa és que augmenta la quantitat d’electrons emesos, és a dir de la intensitat del corrent elèctric detectat en el circuit. 3)    Tanmateix, a major freqüència de l’ona incident, major és l’energia cinètica dels electrons. Quan anem disminuint però la freqüència, arriba un moment que els electrons ja no ixen del càtode, és a dir, se necessita una freqüència llindar f0 per que isquen els electrons. És a dir;: hn = hf 0 + 1/2 me ·v 2max 4)    Se realitzen experiències emprant distint metalls com a càtode. Per a cada metall, s’observa que f 0 és distinta. Si fem una gràfica de Ecmax dels electrons front a la freqüència n, obtenim una recta de pendent h/qe. 5)    Quan la freqüència f era superior a f 0, encara que la intensitat fóra molt petita, era suficient per arrancar electrons al càtode sense cap retràs que se pogués detectar.     Com a conseqüència, l’energia no es troba distribuïda uniformement en tota l’ona sinó que s’hi troba només en el front de l’ona.     D’ací Einstein, anant més lluny del que havia anat Plank a la seua anàlisi de l’emissió del cos negre, afirma que l’energia electromagnètica se troba en el front de l’ona distribuïda en grànuls que anomenà “fotons”.     L’energia doncs se propagaria com una ona i interaccionaria amb la matèria en forma de corpúsculs de llum o fotons.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC     Tanmateix, a major freqüència de l’ona incident, major és l’energia cinètica dels electrons. Quan anem disminuint però la freqüència, arriba un moment que els electrons ja no ixen del càtode, és a dir, se necessita una freqüència llindar f0 per que isquen els electrons. És a dir: hf = hf 0 + 1/2 me ·v 2max

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC Esta experiència condueix a un model d’àtom en el que els electrons s’hi troben com en un pou d’energies, de forma que l’ona electromagnètica subministraria o no, la suficient per eixir-ne.

6.6 NATURALESA CORPUSCULAR DELS FOTONS (EFECTE COMPTON) Compton (1923) va trobar que quan un feix de raigs X era llançat contra un bloc de grafit – el grafit te electrons lliures – s’obtenia una radiació de longitud d’ona major que la incident. S’explica com en un xoc entre dues boles de billar. La perspectiva de la Física Clàssica hauria fet esperar que l’ona sortint fóra de la mateixa longitud que la incident. Clàssicament se suposava que l’ona hauria fet oscil·lar els electrons i els hauria fet emetre ones de la mateixa freqüència que la de l’ona incident.     Ara be, la pèrdua de l’energia que representa una ona sortint amb major longitud d’ona, s’explica pel guany d’energia de l’electró i per l’àngul de dispersió, com en un xoc entre dues boles de billar.

7. MODEL ATÒMIC DE BOHR Era necessari elaborar un model d’àtom que arreplegués totes les conseqüències d’aquestes experiències. Bohr proposa un model de l’àtom de tipus planetari, on els electrons estarien girant al voltant del nucli (model de Rutherford) en òrbites, encara que no podrien prendre qualsevol òrbita, sinó només aquelles que foren permeses és a dir, compatibles amb l’emissió i absorció discontínua d’energia dels àtoms que s’evidencia en les experiències en què apareixen els espectres electromagnètics dels gasos.     És a dir, que quan un electró salta entre dues òrbites contigües permeses, l’emissió o absorció d’energia seria:    E = hf     d’acord amb allò trobat experimentalment.         Doncs haurem de caracteritzar cada òrbita per un numero n, que anirà augmentant segons ens allunyem del nucli de l’àtom, prenent valors n= 0,1,2,3...

7.1 PROBLEMES DEL MODEL DE BOHR Postulats de Bohr: En les òrbites permeses l’electró no radia, se troba en estat estacionari. L’emissió o absorció d’energia se produeix només quan canvia d’òrbita i l’intercanvi d’energia se produeix en forma de fotons d’energia hυ La força centrípeta que mantindria els electrons en les seues òrbites seria l’atracció electromagnètica amb el nucli, com ja vérem, però els electrons no podrien ser estables en elles per ser càrregues amb moviment circular, i per tant accelerat, per la qual cosa deurien radiar, i per tant perdre energia potencial fins a caure sobre el nucli.     Bohr obvia este problema establint un postulat que, en principi, era una invenció completa:     En les òrbites permeses l’electró no radia, se troba en estat estacionari. L’emissió o absorció d’energia se produeix només quan canvia d’òrbita i l’intercanvi d’energia se produeix en forma de fotons d’energia hυ, tants com faça falta per la diferència d’energia entre ambdues òrbites.     Observant amb més precisió les ratlles dels espectres d’emissió i absorció dels gasos se va vore que allò que pareixien ratlles simples, en molts casos estaven desdoblades en varies. Així calgué retocar el model:     En comptes de circulars, les òrbites podrien ser el·líptiques i l’excentricitat de les distintes òrbites podria explicar les diferències petites d’energia:         una òrbita n podria estar formada per subòrbites de diferents excentricitats que classificaríem segons un número quàntic secundari l i que prendria valors l = 0,1,2,...,n-1, de manera que si n = 2  llavors:                     l = 0 òrbita circular         n=2                     l = 1 òrbita el·líptica     Els salts entre aquestes subòrbites explicaria el desdoblament de les ratlles espectrals.

7.2 EXPERIÈNCIA AMB CAMPS MAGNÈTICS (ZEEMAN) Quan se posava un gas incandescent dins d’un camp magnètic intens, tornaven a desdoblar-se les línies fines que hem trobat abans a l’espectre fi.     De manera que, necessitarem un altre número quàntic per caracteritzar estos nous nivells d’energia sorgits en presència del camp magnètic. m = -l,...,0,...,+l. Això podria explicar-se per la distinta inclinació de les el·lipses de les òrbites en presència del camp magnètic.

7.3 CONSTRUCCIÓ DE L’ÀTOM Encara s’hagué d’introduir un altre número quàntic, esta vegada no caracteritza un nivell d’energia sinó a l’electró: n’hi haurà electrons amb número quàntic de “spin” s = +½ i s = -½.         Així doncs, les òrbites s’anomenen segons la seua grandària n i excentricitat l de la següent manera:             l = 0 => s ;  l = 1 => p;  l = 2 => d;  l = 3 => f

7.3 CONSTRUCCIÓ DE L’ÀTOM Tots els àtoms tenen el mateix nombre d’òrbites:         7s 2     7p6         6s 2     6p 6     6d 10         5s 2     5p 6     5d 10     5f 14         4s 2     4p 6     4d 10     4f 14         3s 2     3p 6     3d 10         2s 2     2p 6         1s 2 estiguen aquestes plenes o buides i són les següents: