Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Teoria atòmica

Teoria atòmica

En física i química, la teoria atòmica és una teoria científica de la naturalesa de la matèria, que afirma que la matèria està composta d'unitats anomenades àtoms. La teoria atòmica va començar com un concepte filosòfic en l'antiga Grècia i va entrar en el corrent principal del segle XIX quan els descobriments en el camp de la química van mostrar que la matèria realment es comporta com si fos un àtom.

La paraula àtom s'origina en l'adjectiu atòmic del grec antic, que significa "indivisible". Com s'explica en la història de l'energia nuclear. Els químics del segle XIX van començar a usar el terme en relació amb el nombre creixent d'elements químics irreductibles.

Aparentment, a principis del segle XX, a través de diversos experiments amb electromagnetisme i radioactivitat, els físics van descobrir que l'anomenat "àtom indivisible" és en realitat un conglomerat de diferents partícules subatòmiques (principalment electrons, protons i neutrons). Aquestes partícules poden existir per separat. De fet, en ambients extrems com les estrelles de neutrons, la temperatura i la pressió extremes dificulten completament l'existència dels àtoms.

Atès que s'ha demostrat que els àtoms són divisibles, els físics van inventar posteriorment el terme "partícules elementals" per descriure les parts "indivisibles", encara que no indestructibles, d'un àtom. El camp científic que estudia les partícules subatòmiques és la física de partícules, i en aquest camp els físics esperen descobrir la veritable naturalesa fonamental de la matèria.

Atomismo filosòfic

La idea que la matèria està formada per unitats discretes és molt antiga i passa en moltes cultures antigues, com Grècia i l'Índia. No obstant això, aquestes idees es van basar en el raonament filosòfic i teològic, en lloc d'en l'evidència i l'experimentació.

Per aquesta raó, no podien convèncer tots, de manera que l'atomisme seguia sent una de les moltes hipòtesis en conflicte sobre la naturalesa de la matèria. Va ser només al segle dinou que la idea va ser acceptada i refinada pels científics, la ciència de la química, al principi, produint descobriments que podien explicar-se fàcilment utilitzant el concepte d'àtoms.

John Dalton

A prop del final del segle XVIII, van sorgir dues lleis sobre les reaccions químiques, sense fer referència a la noció de teoria atòmica. La primera va ser la llei de conservació de massa, formulada per Antoine Lavoisier en 1789, que estableix que la massa total en una reacció química roman constant (és a dir, els reactius tenen la mateixa massa que els productes de reacció).

El segon va ser la llei de les proporcions definides. Primer demostrat pel químic francès Joseph Louis Proust en 1799, aquesta llei estableix que, si un compost es descompon en els seus elements constituents, les masses dels compostos constituents sempre tindran les mateixes proporcions, independentment de la quantitat o font de la substància inicial.

 

John Dalton va estudiar i va expandir el resultat anterior i va desenvolupar la llei de proporcions múltiples: si dos elements es poden combinar per formar una sèrie de compostos, la relació de massa del segon element que es combina amb una massa fixa del primer element serà una relació de nombres enters petits.

Per exemple, Proust va estudiar òxids d'estany i va trobar que les seves masses eren 88.1% d'estany i 11.9% d'oxigen, o 78.7% d'estany i 21.3% d'oxigen (aquests són òxids d'estany i diòxid d'estany), respectivament. Dalton va observar en aquests percentatges que 100 g d'estany es combinaran amb 13,5 g o 27 g d'oxigen; 13.5 i 27 estan en una proporció de 1: 2. Dalton va descobrir que una teoria atòmica de la matèria podria explicar elegantment aquest patró comú en la química. En el cas dels òxids d'estany de Proust, un àtom d'estany es combinarà amb un o dos àtoms d'oxigen.

Dalton creia que la teoria atòmica podria explicar per què l'aigua absorbeix diferents gasos en diferents proporcions; per exemple, va descobrir que l'aigua absorbeix el diòxid de carboni molt millor que el nitrogen. Dalton va plantejar la hipòtesi que això es deu a les diferències de massa i la complexitat del gas particulat. De fet, les molècules de diòxid de carboni (CO2) són més pesades i més grans que les molècules de nitrogen (N2).

Dalton va proposar que cada element químic està compost d'àtoms d'un sol tipus, i encara que no poden ser modificats o destruïts per mitjans químics, poden combinar-se per formar estructures més complexes (compostos químics). Això va marcar la primera teoria veritablement científica de l'àtom, perquè Dalton va arribar a les seves conclusions en experimentar i analitzar els resultats d'una manera empírica.

En 1803, Dalton va presentar la primera llista de masses atòmiques relatives per via oral per diverses substàncies. Aquest article va ser publicat el 1805, però no va discutir exactament com va obtenir aquestes xifres. El mètode va ser descobert per primera vegada en 1807 pel seu coneixement, Thomas Thomson, en la tercera edició del seu manual, un sistema de química. Finalment, Dalton va publicar una presentació completa en el seu propi llibre, un nou sistema de filosofia química, 1808 i 1810.

Dalton va estimar les masses atòmiques d'acord amb les relacions en què les masses es combinen amb l'àtom d'hidrogen pres com una unitat. No obstant això, Dalton no va concebre que, en alguns elements, hi ha més àtoms similars a les molècules; per exemple, l'oxigen pur existeix com O2. També, ell creu erròniament que el compost més simple entre dos elements és sempre un de cada àtom (per tant, es va pensar que l'aigua HO, no H 2 O).

Això, a més de la rudesa del seu equip, ha obstaculitzat els seus resultats. Per exemple, en 1803 creia que els àtoms d'oxigen eren 5,5 vegades més pesats que els àtoms d'hidrogen, perquè en l'aigua mesurava 5,5 grams d'oxigen per cada 1 gram d'hidrogen i, per tant, creia que la fórmula de l'aigua era HO. En adoptar millors dades, en 1806 va arribar a la conclusió que la massa atòmica d'oxigen hauria de ser 7, en lloc de 5,5, i va considerar aquest pes per la resta de la seva vida. D'altres, en aquest punt, ja havien arribat a la conclusió que l'àtom d'oxigen hauria de pesar 8 si el hidrogen pesa 1, assumint la fórmula de la molècula d'aigua (HO) de Dalton, o 16 assumint la fórmula moderna de l'aigua ( H2O).

Avogadro

El defecte de la teoria de Dalton va ser corregit en principi en 1811 per Amedeo Avogadro. Avogadro va proposar que volums iguals de gasos, a temperatura i pressió iguals, contenen el mateix nombre de molècules (és a dir, la massa de partícules de gas no afecta el volum que ocupa). Llei d'Avogadro li va permetre deduir la naturalesa diatòmica de molts gasos a l'estudiar els volums en els quals reaccionen. Per exemple, quan dos litres d'hidrogen reaccionen amb només un litre d'oxigen per produir dos litres de vapor d'aigua (sota pressió i temperatura constant), vol dir que una molècula d'oxigen es divideix en dos per ajudar a formar una Dues partícules d'aigua . Per tant, Avogadro va poder proporcionar estimacions més precises de la massa atòmica de l'oxigen i altres elements, i va establir una clara distinció entre molècules i àtoms.

El moviment brownià

En 1827, el botànic anglès Robert Brown va notar que les partícules de pols dins dels grànuls de pol·len que flotaven a l'aigua s'agitaven constantment sense cap raó aparent. El 1905, Albert Einstein va teoritzar que aquest moviment brownià va ser causat per constants xocs de perles de molècules d'aigua, i va desenvolupar un hipotètic model matemàtic per descriure el fenomen. Aquest model va ser validat experimentalment en 1908 pel físic francès Jean Perrin, proporcionant així una validació addicional de la teoria de partícules (i, per extensió, teoria atòmica).

El descobriment de les partícules subatòmiques

Es pensava que els àtoms eren la divisió de matèria més petita possible fins a 1897, quan JJ Thomson va descobrir l'electró treballant amb raigs catòdics.

Un tub de Crookes és un recipient de vidre segellat en què dos elèctrodes es separen del buit. Quan s'aplica una diferència de potencial als elèctrodes, es generen raigs catòdics, creant una àrea brillant on colpegen el vidre en l'extrem oposat del tub. Experimentalment, Thomson va descobrir que els rajos podien desviar d'un camp elèctric (a més dels camps magnètics, que ja es coneixen). Va arribar a la conclusió que aquests raigs, en lloc de ser una forma de llum, en realitat estan compostos de partícules molt poc carregades., Que ell va anomenar "corpuscles" (que després serien anomenats "electrons" per altres científics). Va mesurar la relació de càrrega de massa elèctrica i va descobrir que era 1,800 vegades més petita que l'hidrogen, l'àtom més petit. Aquests corpuscles eren una partícula completament diferent dels coneguts anteriorment.

Thomson ha suggerit que els àtoms són en realitat divisibles, i que els corpuscles són els seus elements constituents. Per explicar que l'àtom és un tot elèctricament neutre, ha avançat la hipòtesi que els corpuscles estan distribuïts en un gran uniforme de càrregues positives; aquest va ser el model de púding de pruna, en el qual els electrons es van incrustar en prunes carregades positivament en un púding de pruna (encara que en el model de Thomson no estaven estacionaris).

Descobrint el nucli

El model de Thomson va ser infringit el 1909 per un dels seus antics alumnes, Ernest Rutherford, qui va descobrir que la majoria de la massa i la càrrega positiva de l'àtom es concentren en una fracció molt petita del seu volum en una àrea que va assumir. que està al centre.

En l'experiment Geiger-Marsden, Hans Geiger i Ernest Marsden (els col·legues de Rutherford que treballaven en el seu suggeriment) van impulsar partícules alfa en làmines metàl·liques primes i van mesurar la seva deformació utilitzant una pantalla de fluorescència. Donada la molt petita massa dels electrons, el pols alt de les partícules alfa i la baixa concentració de la càrrega positiva en el model de púding de pruna, els experimentadors esperaven que totes les partícules alfa passessin a través de la làmina metàl·lica sense desviacions significatives . Per a la seva sorpresa, una petita fracció de les partícules alfa van ser fortament desviades. Rutherford va concloure que la càrrega positiva de l'àtom ha de concentrar-se en un volum molt petit que produeix un camp elèctric prou intens com per desviar les partícules alfa tan fortament.

Això va portar a Rutherford a proposar un model planetari en el qual un núvol d'electrons envolta un nucli petit i compacte de càrrega positiva. Només tal concentració de càrrega podria produir camps elèctrics prou forts com per causar grans desviacions.

Els primers passos cap a un model quàntic de l'àtom

El model planetari atòmic tenia dues deficiències significatives. La primera va ser que, a diferència dels planetes que orbiten al voltant d'un sol, els electrons són partícules carregades. Se sap que una càrrega elèctrica de l'accelerador emet ones electromagnètiques d'acord amb la fórmula de Larmor de l'electromagnetisme clàssic. Una tasca en òrbita hauria de perdre constantment energia i girar en espiral cap al nucli, xocant amb ella en una fracció de segon. El segon problema va ser que el model planetari no va poder explicar els espectres d'emissió i absorció dels àtoms observats.

La teoria quàntica va revolucionar la física a principis del segle XX, quan Max Planck i Albert Einstein va postular que l'energia lluminosa s'emet o s'absorbeix en quantitats discretes conegudes com els quants. El 1913, Niels Bohr va incorporar aquesta idea en model de Bohr àtom, els electrons només poden giren al voltant del nucli en certa òrbita circular amb el moment angular i l'energia distància fixa des del nucli (és a dir, abast) és proporcional a l'energia. En aquest model, un electró no pot entrar en el nucli, perquè no podia perdre energia en una forma contínua; En el seu lloc, només podia "Salts quàntics" instantanis entre nivells d'energia fixos. Quan això passa, la llum s'emet o absorbeix a una freqüència proporcional a la diferència d'energia (d'on l'absorció i l'emissió de llum en espectres discrets).

El model de Bohr no era perfecte. Només podia predir les línies espectrals de l'hidrogen; No podia predir els dels àtoms amb més electrons. Pitjor encara, a mesura que la tecnologia espectrográfica va evolucionar, es van observar línies espectrals addicionals d'hidrogen, línies que el model de Bohr no va poder explicar. En 1916, Arnold Sommerfeld va afegir òrbites el·líptiques a Bohr per explicar les línies d'emissió addicionals, però això va fer que el model fos molt difícil d'usar sense poder explicar els àtoms més complexos.

El descobriment dels isòtops

En experimentar amb productes de desintegració radioactiva, el 1913, el radioquímic Frederick Soddy va descobrir que semblaven ser més d'un element per posició en la taula periòdica. El terme isòtop va ser inventat per Margaret Todd com el nom propi d'aquests elements.

En el mateix any, JJ Thomson va realitzar un experiment en què va canalitzar un flux de ions de neó a través de camps magnètics i elèctrics, colpejant una placa fotogràfica en l'altre extrem. Va notar dos punts brillants al plat, suggerint dos tipus diferents de trajectòries de desviació. Thomson va concloure que això es deu al fet que alguns dels ions de neó tenen una altra taula. La naturalesa d'aquestes diferents masses s'explicaria més endavant pel descobriment de neutrons en 1932.

 

Descobriment de partícules nuclears

El 1917 Rutherford va bombardejar nitrogen gas amb partícules alfa i va trobar que el gas que surt dels nuclis d'hidrogen (Rutherford ha reconegut, com ell obtingut prèviament mitjançant el bombardeig dels àtoms d'hidrogen amb partícules alfa, i l'observació dels nuclis de hidrogen en els productes). Rutherford va concloure que els nuclis d'hidrogen resultaven dels nuclis dels àtoms de nitrogen (bàsicament, va dividir l'àtom de nitrogen).

Descobriment dels protons

Treball propi i el dels seus estudiants, Bohr i Henry Moseley, Rutherford sabien que la càrrega positiva de qualsevol àtom sempre podia ser equiparat amb un hidrogen nuclis sencers. Això, juntament amb el fet que la massa atòmica de diversos elements és aproximadament equivalent amb un nombre d'àtoms d'hidrogen - a continuació, suposa que les partícules més fàcils - han portat a la conclusió que els nuclis d'hidrogen són partícules Singular i constituent bàsic de tots els nuclis atòmics. Va cridar a aquestes partícules de protons.

Descobriment dels neutrons

Diversos experiments realitzats per Rutherford han demostrat que les masses nuclears de la majoria dels àtoms superen la dels protons que posseeixen; especular que aquest excedent de massa es compon d'algunes partícules desconegudes, elèctricament neutres, que provisionalment va cridar "neutrons".

El 1928, Walther Bothe va notar que el beril emet una radiació elèctricament neutra i molt penetrant quan es bombardeja amb partícules alfa. Més tard es va descobrir que aquesta radiació podia eliminar els àtoms d'hidrogen de la cera de parafina. Inicialment, es pensava que era una radiació gamma d'alta energia, ja que la radiació gamma tenia un efecte similar en els electrons metàl·lics, però James Chadwick va descobrir que l'efecte ionitzant és massa fort per ser causat per la radiació electromagnètica, sempre que la energia i l'impuls es conservin en interacció.

El 1932, Chadwick va exposar diversos elements, com l'hidrogen i el nitrogen, a la misteriosa "radiació de beril·li", i en mesurar les energies de partícules carregades, va deduir que la radiació en realitat consisteix en partícules elèctriques neutres que no podrien ser sense massa. com raigs gamma, però havia de tenir una massa similar a la d'un protó. Chadwick ara afirmava que aquestes partícules són els neutrons de Rutherford. Pel descobriment del neutró, Chadwick va rebre el Premi Nobel el 1935.

Model quàntic de l'àtom

El 1924, Louis de Broglie va avançar la hipòtesi que totes les partícules en moviment, especialment les partícules subatòmiques, com els electrons, exhibeixen alguna forma d'ona. Erwin Schrödinger, fascinat per aquesta idea, va explorar si el moviment d'un electró en un àtom podria explicar-se millor com una ona que com una partícula. L'equació de Schrödinger, publicada el 1926, descriu un electró com una ona en lloc d'una partícula puntual. Aquest enfocament ha predit amb elegància molts dels fenòmens espectrals que el model de Bohr no va poder explicar. Encara que aquest concepte era matemàticament convenient, era difícil de visualitzar i enfrontava oposició. Un dels seus crítics, Max Born, en canvi va suggerir que la funció d'ona de Schrödinger no descriu l'electró, sinó tots els seus estats possibles, i per tant podria usar-se per a calcular la probabilitat de trobar un electró. en qualsevol lloc al voltant del nucli. Aquesta interpretació va reconciliar les dues teories oposades de la naturalesa de les partícules i les ones, i va introduir la idea de dualitat ona-partícula. Aquesta teoria afirma que l'electró pot exhibir tant propietats de longitud d'ona com de partícula. Per exemple, pot refractar com una ona, i té massa com una partícula.

Una conseqüència de la descripció dels electrons com una ona és la impossibilitat matemàtica de calcular simultàniament la posició i l'impuls d'un electró. Això es va conèixer com el principi d'incertesa d'Heisenberg després del físic Werner Heisenberg, qui el va descriure i va publicar per primera vegada el 1927. invalidar el model de Bohr amb les seves òrbites circulars clares i clarament definides. El model modern de l'àtom descriu les posicions dels electrons en un àtom en termes de probabilitats. Es pot trobar un electró a qualsevol distància del nucli, però, depenent del seu nivell d'energia, passa amb més freqüència en algunes regions al voltant del nucli que en altres; aquest patró de probabilitat es diu orbital atòmic.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 13 de novembre de 2018

Tornar