Un model atòmic és la representació de l'estructura interna d'un àtom.
Al llarg de la història, la constitució de la matèria ha tingut diversos models que han anat evolucionant fins a arribar al model atòmic actual.
A continuació presentem la línia de temps dels models atòmics més importants:
1. Model de Demòcrit d'Abdera (any 450 aC)
El model atòmic de Demòcrit va ser desenvolupat pel filòsof grec Demòcrit d'Abdera . Demòcrit creia que la matèria estava formada per petites partícules indestructibles o indivisibles que va anomenar àtoms.
Demòcrit, un filòsof grec antic, va ser un dels primers a proposar la idea que la matèria estava composta per partícules indivisibles i discontínues anomenades "àtoms". A la seva filosofia, els àtoms eren les unitats fonamentals de la realitat i eren eterns i infinitament petits.
Demòcrit creia que els diferents tipus de matèria es formaven a partir de combinacions i arranjaments d'àtoms a l'espai buit.
Importància del model
Encara que el model de Demòcrit no tenia proves experimentals i una base científica sòlida en aquell moment, va establir les bases per a la idea que la matèria estava composta per unitats discretes i indivisibles. No obstant això, aquest model no va tenir un impacte immediat a la comunitat científica de la seva època i va ser superat per altres idees fins que va ressorgir amb més força a l'era de la ciència moderna.
La contribució de Demòcrit és fonamental per a l'evolució de la teoria atòmica al llarg de la història, i el seu concepte d'àtom és la base de com entenem l'estructura de la matèria actualment.
2. Model de John Dalton (1808)
La teoria atòmica de Dalton va ser el primer model amb bases científiques. Dalton va definir el concepte d'àtom i va concloure que en les reaccions químiques, els àtoms ni es creen ni es destrueixen, sinó que en canviaven la distribució.
El model atòmic de Dalton, proposat per John Dalton a principis del segle XIX, fou un dels primers intents sistemàtics d'explicar la naturalesa de la matèria i les reaccions químiques en termes d'àtoms.
Àtoms com a unitats indivisibles
Dalton va postular que la matèria estava composta per partícules fonamentals i indivisibles anomenades àtoms. Cada element químic consistia en àtoms idèntics entre ells en termes de massa i propietats químiques.
Àtoms de diferents elements
Els àtoms de diferents elements eren diferents entre si en termes de massa i propietats químiques. Dalton creia que els àtoms eren les unitats bàsiques i indivisibles de la matèria i que els compostos químics es formaven a partir de la combinació d'àtoms de diferents elements en proporcions fixes i definides.
Conservació de la massa
Dalton va postular que la massa es conserva a les reaccions químiques. Això significa que la massa total dels àtoms als reactius és igual a la massa total dels àtoms als productes després d'una reacció química.
Proporcions fixes als compostos
Dalton va proposar la Llei de Proporcions Definides, que estableix que els elements es combinen en proporcions fixes i constants per formar compostos químics específics. Això vol dir que els àtoms dels elements es combinen en nombres enters simples per formar compostos.
Llei de les proporcions múltiples
Dalton també va formular la Llei de les Proporcions Múltiples, que estableix que quan dos elements formen més d'un compost, les masses d'un element que es combinen amb una massa fixa de l'altre element estan en relació amb nombres enters simples.
3. Model de Thomson (1904)
Thomson va descobrir l'electró com a partícula subatòmica amb tubs de raigs catòdics. Aquestes noves partícules amb càrregues negatives passaren a ser considerades part de l'estructura dels àtoms.
El model atòmic de Thomson també es coneix com a model del púding de panses ja que JJ Thomson va concebre l'àtom com un púding de panses. En aquest model, l'àtom estaria format per una massa positiva a la qual es fixarien els electrons com a panses a la coca.
Característiques del model
Thomson va realitzar experiments amb tubs de raigs catòdics i va descobrir l'existència de partícules subatòmiques amb càrrega negativa que va anomenar electrons. Aquest descobriment desafiava la idea prèvia que els àtoms eren indivisibles i uniformes.
Segons el model de Thomson, els electrons carregats negativament estaven incrustats en una matriu de càrrega positiva. Això creava un equilibri de càrregues elèctriques, cosa que resultava en un àtom globalment neutre. Visualment, l'àtom es comparava amb un "pudí de panses", on els electrons representaven les "passes" i la càrrega positiva la "massa del púding".
Thomson va proposar que la càrrega positiva es distribuïa uniformement en tota l'estructura de l'àtom, cosa que mantenia els electrons en equilibri dins d'aquesta. Aquesta idea explicava com els àtoms podien ser elèctricament neutres malgrat tenir càrregues elèctriques separades al seu interior.
Limitacions del model
Encara que el model de Thomson va introduir la idea que els àtoms tenien components subatòmics i càrregues, no explicava per què els electrons no col·lapsaven al nucli a causa de les forces elèctriques repulsives entre les càrregues negatives.
El model atòmic de Thomson tampoc no abordava com s'organitzaven els electrons a les òrbites al voltant del nucli.
Importància
Tot i que el model de Thomson va ser reemplaçat posteriorment per models més complets, el descobriment dels electrons i la proposta d'una estructura subatòmica van canviar dràsticament la comprensió científica de l'època.
Aquestes troballes van aplanar el camí per a desenvolupaments futurs en la teoria atòmica i van establir les bases per a models més sofisticats que expliquessin l'organització i el comportament dels electrons en els àtoms.
4. Model de Rutherford (1911)
Al model de Rutherford, conegut com el model "planetari" o del "nucli", Ernest Rutherford va dir que els àtoms eren fàcilment transponibles per càrregues elèctriques. El seu model definia l'àtom com un nucli pesant amb càrrega positiva i que els electrons giraven al voltant de manera que la major part de l'àtom estava compost per un espai buit.
El model atòmic de Rutherford va marcar un avenç crucial en la comprensió de l'estructura atòmica a principis del segle XX. Tot seguit, es detallen els aspectes clau d'aquest model:
Experiment
Rutherford i el seu equip van dur a terme un experiment en què van disparar partícules alfa (nuclis d'heli) cap a una làmina d'or prima. Esperaven que les partícules passessin a través de la làmina amb poca desviació a causa de la creença comuna en aquell moment que els àtoms eren principalment espai buit.
Descobriment del nucli atòmic
Tot i això, el resultat va ser sorprenent: algunes partícules alfa es van desviar significativament i fins i tot van rebotar cap enrere. Rutherford va concloure que això només es podria explicar si els àtoms contenien un petit i dens nucli carregat positivament al seu centre, que concentrava la major part de la massa de l'àtom.
Espai buit a l'àtom
Basat en el seu experiment, Rutherford també va arribar a la conclusió que la major part de l'àtom consistia en espai buit, ja que la majoria de les partícules alfa passaven a través de la làmina d'or sense desviar-se gens ni mica.
Tot i que el model atòmic de Rutherford va introduir el concepte d'un nucli central, no oferia una explicació detallada de com s'organitzaven els electrons al voltant del nucli. A causa de les forces elèctriques entre les càrregues oposades, els electrons haurien d'haver col·lapsat al nucli segons les lleis electromagnètiques clàssiques.
Importància del model atòmic
Tot i les seves limitacions, el model de Rutherford va ser una fita important. Va introduir la noció que els àtoms tenien un nucli dens i carregat positivament al seu centre, cosa que resolia algunes de les qüestions plantejades pels models anteriors.
A més, aquest model va aplanar el camí per a desenvolupaments posteriors a la teoria atòmica, com el Model Atòmic de Bohr.
5. Model atòmic de Niels Bohr (1913)
El model atòmic de Bohr era una modificació del model de Rutherford: l'àtom és com “un sistema solar microscòpic” en què els electrons estan en òrbita al voltant del nucli. Bohr va suposar que els electrons es movien en òrbites circulars al voltant del nucli.
El model atòmic proposat per Niels Bohr a principis del segle XX va ser un avenç significatiu en la comprensió de l'estructura atòmica i la naturalesa de les òrbites electròniques.
Nivells d'energia discrets
Bohr va postular que els electrons en un àtom es movien en òrbites discretes i quantitzades al voltant del nucli, en lloc de fer moviments continus. Cada òrbita corresponia a un nivell denergia específic per als electrons.
Els electrons no podien tenir energies intermèdies, cosa que donava lloc a l'estabilitat dels àtoms.
Absorció i emissió denergia
Segons el model atòmic de Bohr, els electrons podien absorbir o emetre energia en forma de quants (paquets discrets d'energia) en moure's entre diferents nivells d'energia.
Quan un electró absorbia energia, saltava a un nivell denergia superior; quan emetia energia, tornava a un nivell denergia inferior.
Espectres atòmics
Un dels èxits principals d'aquest model va ser l'explicació dels espectres d'emissió i d'absorció dels àtoms. Els espectres eren línies brillants o fosques a la llum emesa o absorbida pels àtoms. Bohr va poder relacionar els canvis en els nivells denergia dels electrons amb les línies específiques en els espectres.
Model limitat a àtoms simples
Tot i que el Model Atòmic de Bohr va tenir èxit a explicar certs aspectes dels espectres atòmics i va proporcionar una descripció quantitativa de l'estructura electrònica, era aplicable principalment a àtoms simples amb un electró, com l'hidrogen. Tenia dificultats per explicar àtoms més complexos i sistemes amb múltiples electrons.
Transicions i la constant de Planck
Bohr va introduir la idea que els electrons només podrien existir en certs estats discrets denergia, que estaven relacionats amb la constant de Planck. Això va establir les bases per a la posterior formulació de la teoria quàntica.
Importància del model
Tot i que el model atòmic de Bohr va ser superat per desenvolupaments posteriors a la teoria quàntica, els seus conceptes de nivells d'energia quantitzats i les transicions electròniques van proporcionar un enfocament crucial per comprendre l'estructura i el comportament dels àtoms. El seu treball va aplanar el camí per a l'evolució de la mecànica quàntica i va representar un pas essencial per a la comprensió moderna de la física atòmica.
6. Model de Sommerfeld (1916)
El model atòmic de Sommerfeld és una extensió del model de Bohr, desenvolupat el 1916 per Arnold Sommerfeld per explicar algunes discrepàncies observades als espectres d'emissió dels àtoms.
Mentre que Bohr va assumir que els electrons giraven en òrbites circulars al voltant del nucli, Sommerfeld va introduir la idea d'òrbites el·líptiques, permetent una major precisió en la descripció dels nivells d'energia.
Sommerfeld va incorporar la relativitat especial d'Einstein per ajustar les energies dels electrons als àtoms més pesants. El seu model va introduir el nombre quàntic azimutal (lll) que determinava la forma de les òrbites i explicava l'estructura fina de les línies espectrals. També va predir el concepte de subnivells d'energia dins d'una mateixa capa electrònica, cosa que posteriorment seria clau a la mecànica quàntica.
Tot i el seu èxit a millorar el model de Bohr, el model de Sommerfeld tenia limitacions, ja que no podia explicar certs efectes quàntics observats en àtoms més complexos.
Amb el desenvolupament de la mecànica quàntica a la dècada de 1920, la seva teoria va ser reemplaçada per models més precisos basats en l'equació de Schrödinger i el principi d'incertesa de Heisenberg.
7. Model Atòmic de Schrödinger (1926)
El model atòmic de Schrödinger, també conegut com la mecànica quàntica, és un marc teòric que descriu el comportament de les partícules subatòmiques, com ara els electrons, en termes de probabilitat i ones.
Va ser desenvolupat pel físic austríac Erwin Schrödinger a la dècada de 1920 i va revolucionar la nostra comprensió de l'estructura atòmica i les propietats de les partícules subatòmiques.
Descripció probabilística
A diferència dels models anteriors que descrivien la posició i el moviment de les partícules de manera determinista, el Model Atòmic de Schrödinger introdueix la idea que les partícules subatòmiques, com els electrons, no tenen trajectòries definides, sinó que estan descrites per funcions d'ona que representen la probabilitat de trobar-les en diferents ones.
Equació de Schrödinger
La base del model és l'equació de Schrödinger, una equació matemàtica fonamental que descriu com canvia amb el temps la funció d'ona d'una partícula en un camp de força donat, com el camp elèctric creat pel nucli en un àtom.
Resoldre aquesta equació permet obtenir informació sobre les propietats de la partícula, com ara la seva energia i la seva distribució espacial.
Orbitals i funcions d'ona
En el context dels àtoms, les funcions d'ona es coneixen com a orbitals. Els orbitals són regions de lespai on hi ha una alta probabilitat de trobar un electró. Els diferents tipus d'orbitals (s, p, d, f) tenen formes i distribucions de probabilitat característiques, cosa que determina com s'organitzen els electrons al voltant del nucli.
Principi d'incertesa de Heisenberg
El model de Schrödinger va introduir el principi d'incertesa de Heisenberg, que estableix que hi ha limitacions fonamentals per mesurar simultàniament amb precisió la posició i el moment (o velocitat) d'una partícula.
Com més precisament es coneix la posició duna partícula, menys precisament es pot conèixer el seu moment i viceversa.
Evolució de la teoria quàntica
El Model Atòmic de Schrödinger i la mecànica quàntica en general han portat a un canvi fonamental en la manera com comprenem la naturalesa subatòmica del món. La teoria quàntica no sols s'aplica a la física atòmica, sinó també a àrees com la física de partícules, la química quàntica i l'electrònica.
8. Model de Dirac-Jordan (1928)
El model de Dirac-Jordan, proposat el 1928 per Paul Dirac i Pascual Jordan, representa un avenç crucial a la mecànica quàntica en incorporar la relativitat en la descripció de l'electró. Dirac va desenvolupar una equació d'ona relativista, coneguda com l'equació de Dirac, que resolia inconsistències entre la mecànica quàntica i la teoria de la relativitat especial.
L'equació de Dirac va predir l'existència de l'espí de l'electró, un grau de llibertat fonamental que abans no havia estat considerat. A més, la seva formulació va portar al descobriment de l'antimatèria, en particular del positró, una partícula amb la mateixa massa que l'electró però amb càrrega positiva.
Aquesta predicció va ser confirmada experimentalment el 1932 per Carl Anderson, cosa que va consolidar el model de Dirac com una de les bases de la teoria quàntica moderna.
D'altra banda, Pascual Jordan va contribuir al desenvolupament de la teoria de matrius de la mecànica quàntica, que permetia descriure de manera matemàtica els estats quàntics de les partícules. Els seus treballs amb Werner Heisenberg i Max Born van ajudar a establir un formalisme rigorós per a la teoria quàntica.
El model de Dirac-Jordan va representar un pas fonamental cap a la teoria quàntica de camps, ja que va permetre descriure partícules elementals dins un marc matemàtic coherent amb la relativitat. Els seus principis continuen sent fonamentals en la física moderna, especialment en el desenvolupament del model estàndard.