Apunts sobre la teoria atòmica i els models atòmics (4t ESO)

1. TTEEOORRIIAA AATTÒÒMMIICCAA
MMOODDEELLSS AATTÒÒMMIICCSS

2. QQUUÈÈ ÉÉSS UUNN ÀÀTTOOMM??
Definim àtom com la partícula més petita en que un element pot ser dividit
sense perdre les seves propietats químiques. Tot i que l’origen de la paraula
àtom prové del grec, que vol dir indivisible, els àtoms estan formats per
partícules encara més petites, les partícules subatòmiques.
II DDEESS DDEE QQUUAANN EESS PPAARRLLAA DD''ÀÀTTOOMMSS??
El concepte d'àtom com a bloc bàsic i indivisible que compon la matèria de
l'univers ja va ser postulat per l'escola atomista en l'Antiga Grècia. No
obstant això, aquesta idea va ser rebutjada i el concepte àtom no va ser
considerat seriosament pels científics fins al segle XIX.

3. L'ÀTOM DDEE DDEEMMÒÒCCRRIITT II LLEEUUCCIIPP
Res existeix excepte àtoms i espai buit: la resta són opinions.
Demòcrit dixit.
Demòcrit d’Abdera (460 a.C.- 370 a.C.) formava part
d’una escola filosòfica anomenada pluralista o atomista,
juntament amb Leucip, Anaxàgores i Empèdocles.
Demòcrit fou el primer en postular que la matèria
estava formada per partícules molt petites, indivisibles,
que va anomenar àtoms.
Segons Demòcrit:
* Els àtoms es mouen en el buit i és l'atzar el que provoca el remolí que fa que
xoquin entre elles. Segons aquests xocs es formen els diferents cossos.
* La diferència entre els cossos prové de la forma, la posició i la mida dels àtoms
que els constitueixen. Per exemple, els àtoms que formen l'aigua són suaus i
rodons, els de foc, punxeguts; els de terra, aspres i dentats, per poder unir-se i
formar roques

4. Però la iiddeeaa ddee ll''ààttoomm ffoouu rreebbuuttjjaaddaa
Tot i que la teoria de Demòcrit, amb la introducció dels
conceptes d’àtom, el buit i l’atzar, es va avançar 25 segles a
la concepció actual de la matèria, durant molt segles no va
ser acceptada.
Durant més de 2000 anys es va imposar el pensament de
l'escola continuista que secundaven filòsofs com Aristòtil
(384-322 a.C.)
Aquest corrent filosòfic proposava que la
matèria estava formada per combinacions de
quatre elements fonamentals: foc, aire, aigua i
terra.
Aquests quatre elements es relacionaven per
acció de quatre qualitats bàsiques: calent, fred,
sec i humit.

5. EELL MMOODDEELL AATTÒÒMMIICC
La proposta atòmica de Demòcrit va tenir menys
acceptació que la continuista.
Gràcies al prestigi que tenia Aristòtil, la teoria
continuista es va mantenir vigent en el
pensament de la humanitat durant més de 2000
anys.
Durant molts segles, la teoria atòmica va caure
en l'oblit fins que la idea d'àtom va ser
recuperada pel físic John Dalton al segle XIX.
Dalton va proposar un model d'àtom que ha anat
evolucionant fins arribar al model d'àtom actual.

6. TEORIA AATTÒÒMMIICCAA DDEE DDAALLTTOONN
El 1808, John Dalton (1766-1844) va
publicar la seva teoria atòmica, que
reprenia les antigues idees de Leucip i
Demòcrit però basant-se en una sèrie
d'experiències científiques de
laboratori i fonamentant-ho a partir de
les lleis clàssiques de la química.
El treball de Dalton va marcar el
principi de l'era de la química
moderna.

7. TEORIA AATTÒÒMMIICCAA DDEE DDAALLTTOONN
Els postulats o principis fonamentals de la teoria atòmica de Dalton són:
1. La matèria està formada per partícules esfèriques, discretes, diminutes, i
indivisibles anomenades àtoms.
2. Tots els àtoms d'un mateix element són idèntics, tenen la mateixa mida,
massa i propietats químiques.
3. Els àtoms d'un element són diferents als àtoms de tots els altres elements.
4. Els compostos es formen en combinar els àtoms de dos o més elements en
proporcions fixes i senzilles.
5. Els àtoms romanen inalterables en qualsevol
procés químic. En les reaccions químiques, els
àtoms ni es creen ni es destrueixen, només
canvien la seva distribució.

8. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE DDAALLTTOONN ((11880088))
Dalton s'imaginava els àtoms com petites esferes.
Desprès de Dalton recuperés la idea d'àtom, molts científics van començar
a imaginar con estaria format un àtom i començaren a proposar models a
partir de les dades recollides de forma experimental.

9. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE TTHHOOMMSSOONN ((11889977))
Quan en un tub de vidre que conté un gas es fa parcialment el buit i s'aplica un
voltatge de diversos milers de volts, flueix un corrent elèctric a través d'ell.
Associat a aquest flux elèctric, el gas tancat al tub emet uns raigs de llum de
colors, anomenats raigs catòdics, que són desviats per l'acció dels camps elèctrics
i magnètics.
J.J. Thomson (1856 – 1940) va
estudiar les propietats i efectes
d'aquests raigs i va arribar a la
conclusió que estaven constituïts per
partícules, amb càrrega elèctrica
negativa, dotades de gran velocitat,
gairebé dos mil vegades més petites
que l'àtom d'hidrogen. A més, les
partícules eren idèntiques encara que
canviés el gas del tub.
Els raigs catòdics... què són?

10. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE TTHHOOMMSSOONN ((11889977))
Thomson va proposar un model d’àtom format per
unes partícules amb càrrega negativa, els
electrons, immerses en una massa esfèrica de
càrrega elèctrica positiva, que donava com a
resultat un àtom elèctricament neutre.
Aquest model es coneix amb en nom de model
atòmic de púding de panses.

11. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE RRUUTTHHEERRFFOORRDD ((11991111))
El 1909, el neozelandès Ernest Rutherford (1871-1937) i
els seus col·laboradors van bombardejar una fina làmina
d'or amb partícules alfa (positives), procedents d'un
material radioactiu, a gran velocitat.
L'experiment va permetre observar que la major part de
les partícules van travessar la làmina sense canviar de
direcció, algunes partícules es van desviar
considerablement i unes poques partícules van rebotar
cap a la font d'emissió.

12. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE RRUUTTHHEERRFFOORRDD ((11991111))
Rutherford, en vista dels resultats obtinguts en l'experiència de la làmina d'or
bombardejada amb partícules α va arribar a les següents conclusions:
Explicació amb animació
• Com pràcticament totes les partícules alfa
passen a través de la làmina sense desviar-se,
s'ha de considerar que la matèria, i per tant,
els àtoms estan gairebé totalment buits.
• Les partícules alfa que en travessar la
làmina passen prop del nucli pateixen una
gran desviació de la seva trajectòria (a causa
de l'efecte de la repulsió entre càrregues
positives).
• Un petit nombre de partícules alfa reboten,
la qual cosa s'explica pel xoc de les partícules
contra alguna cosa d'una gran massa i elevada
càrrega positiva (nucli amb gairebé la
totalitat de la massa).

13. MODEL AATTÒÒMMIICC DDEE RRUUTTHHEERRFFOORRDD ((11991111))
Rutherford va establir l'anomenat model atòmic de Rutherford o model atòmic
nuclear (també conegut com a model planetari):
L'àtom està format per dues parts: nucli i escorça.
- En el nucli es troba localitzada la quasi totalitat
de la massa atòmica i tota la càrrega positiva
(protons).
- Al voltant d'aquest nucli, i a grans distàncies d'ell,
giren els electrons en l'escorça descrivint òrbites.
Segons Rutherford, les òrbites dels electrons no estaven molt ben definides i
formaven una estructura complexa al voltant del nucli, donant-li una grandària i
forma indefinida.
Encara que Rutherford va intuir l'existència de neutrons al nucli, va ser Chadwick
(1891-1974) qui va demostrar la seva existència anys més tard.

14. LIMITACIONS DEL MMOODDEELL DDEE RRUUTTHHEERRFFOORRDD
Aviat es va comprovar que l'àtom proposat per Rutherford era inestable:
D'acord amb les lleis de l'electromagnetisme, un electró que és accelerat o la
direcció lineal és modificada, emet o absorbeix radiació electromagnètica.
L'electró de l'àtom de Rutherford modificava la seva direcció lineal contínuament,
ja que seguia una trajectòria circular.
Per tant, hauria d'emetre energia i aquesta radiació causaria la disminució de
l'energia de l'electró, que en conseqüència hauria de descriure una trajectòria en
espiral fins a caure en el nucli, de manera que l'àtom es destruiria. Però això no
succeeix!

15. LIMITACIONS DEL MMOODDEELL DDEE RRUUTTHHEERRFFOORRDD
El model atòmic de Rutherford tampoc podia explicar el que s'observava en els
espectres atòmics. El conjunt de línies que s'obtenien en fer emetre o absorbir
radiacions per part dels àtoms era inexplicable amb el model de Rutherford.
Interpretant cada ratlla espectral com una transició d'un nivell energètic a un
altre, es dedueix que no totes les òrbites són possibles.

16. SI VVOOLLSS CCOONNÈÈIIXXEERR MMÉÉSS...... ((AAMMPPLLIIAACCIIÓÓ SSOOBBRREE EESSPPEECCTTRREESS AATTÒÒMMIICCSS))

17. MMOODDEELL AATTÒÒMMIICC DDEE BBOOHHRR ((11991133))
Per solucionar aquests problemes, el físic danès,
Niels Bohr (1885-1962) va aplicar la teoria
quàntica de Max Planck i l'efecte fotoelèctric
observat per Albert Einstein al model atòmic de
Rutherford.
D'aquesta manera Bohr va aconseguir explicar
molts dels experiments sobre l'emissió de llum
dels àtoms.
SI VOLS CONÈIXER MÉS... (AMPLIACIÓ)
La teoria quàntica formulada per Max Planck l'any 1900 es pot resumir així:
- L'energia emesa o absorbida en forma de radiació electromagnètica no
pot prendre qualsevol valor sinó que ha de ser un múltiple sencer d'un
valor mínim, anomenat quàntum d'energia.
- L'energia d'un quàntum és proporcional a la freqüència de la radiació.

18. MMOODDEELL AATTÒÒMMIICC DDEE BBOOHHRR ((11991133))
Tretze anys després que Max Planck decidís incorporar el quàntum a la teoria de la
llum, Bohr va introduir el quàntum a l'estructura atòmica i va proposar un nou
model.
Bohr afirmava que el moviment que descriuen els electrons (càrrega negativa) eren
provocats per l’atracció de nucli (positiu), però per evitar que els electrons caiguin
al nucli, aquests orbiten amb una velocitat que compensa la seva atracció
elèctrica, de manera semblant a com passa en el Sistema Solar.
Això implicava una gran deducció:
L'energia de l'electró dins l'àtom està
quantificada. Això vol dir que l'electró
només pot ocupar unes òrbites o estats
estacionaris al voltant del nucli amb uns
determinats valors d'energia.
El major èxit del seu model va ser l'explicació de l'espectre d'emissió de llum de
l'hidrogen, associant cada línia espectral a un nivell energètic. La teoria de Bohr
sobre l'àtom, va ser un dels moments crucials de la física.

19. MMOODDEELL AATTÒÒMMIICC DDEE BBOOHHRR
Els postulats del model atòmic de Bohr són:
- Els electrons giren al voltant del nucli en òrbites circulars estacionàries, sense
emetre ni absorbir energia.
- Les òrbites circulars tenen radis definits, no totes les òrbites són possibles.
Cadascuna d'elles correspon a un nivell d'energia determinat.
- Quan un electró guanya energia, salta del nivell estacionari a un nivell de
major energia. Quan l'electró torni al seu nivell basal o estacionari alliberarà
l'energia sobrant en forma de llum.
Només són possibles unes determinades
òrbites. Cada òrbita està associada a un
nivell d'energia. L'energia és major quan
més allunyada està l'òrbita del nucli.

20. MMOODDEELL AATTÒÒMMIICC DDEE BBOOHHRR

21. EVOLUCIÓ DDEELL MMOODDEELL DDEE BBOOHHRR
El model atòmic de Bohr també va haver de ser modificat en no poder explicar els
espectres d'àtoms més complexos.
► Unes investigacions van demostrar que alguns nivells d'energia (n) tenien, al seu
torn, subnivells.
► El 1916, Arnold Sommerfeld comprova que les òrbites també poden ser
el·líptiques i més complexes.
► El 1924, Louis de Broglie proposa que l'electró tindria propietats ondulatòries
i de partícules.
► El 1926, Werner Heisenberg proposa el Principi d'incertesa que estableix que
és impossible determinar simultàniament la posició i velocitat exacta d'un electró.
► El 1927 el científic austríac Erwin Schrödinger (1887-1961) va desenvolupar la
coneguda equació que porta el seu nom. Aquesta equació de funció d'ona servia
per definir l'estat i el comportament dels electrons.
El model actual de l'àtom es basa en la mecànica quàntica ondulatòria, teoria
desenvolupada durant la dècada de 1920 gràcies a les contribucions de destacats
científics, entre ells Einstein, Planck, de Broglie, Bohr, Heisenberg i Schrödinger.

22. EL MMOODDEELL AACCTTUUAALL DD''ÀÀTTOOMM
El model actual d'àtom anomenat model orbital o
quàntic-ondulatori es basa en l'equació proposada per
Schrödinger i està fonamentat en quatre nombres
quàntics, mitjançant els quals pot descriure un electró
en un àtom.
La mecànica quàntica estableix que no es pot saber
amb exactitud on es troba un electró, però sí que
defineix una regió de l'espai al voltant del nucli atòmic
en la qual la probabilitat de trobar l'electró és elevada.
Aquesta regió s'anomena orbital.
ORBITAL ATÒMIC: és una zona de l'espai on existeix una
alta probabilitat (superior al 90%) de trobar l'electró.

23. EVOLUCIÓ DDEELLSS MMOODDEELLSS AATTÒÒMMIICCSS

24. PER AAMMPPLLIIAARR IINNFFOORRMMAACCIIÓÓ......
VÍDEOS
- Evolució dels models atòmics: Thomson, Rutherford, Bohr (en castellà)
- Animació sobre l'experiment de Rutherford (en anglès)
- Model de Bohr: absorció i emissió de fotons
- ¿Cómo ha cambiado nuestro concepto de átomo? (13 minuts)
- Quince minutos en la vida de un electrón (27 minuts)