La idea de Lavoisier que un cos simple era aquell que ja no podia descompondre’s més amb els mitjans químics a l’abast i la concepció que Newton tenia d’una matèria formada en última instància per corpuscles màssics i indivisibles, varen constituir el rerefons de l’atomisme químic impulsat per John Dalton al segle XIX. Dalton estava inicialment interessat en la meteorologia i va ser en aquest context quan, en voler determinar la mida de les últimes partícules de la matèria, es va embarcar a determinar el pes relatiu d’aquestes partícules. Per això va prendre com a referència la taula de cossos simples de Lavoisier i va adoptar dos supòsits. El primer va ser la “llei de les proporcions múltiples”, que va formular a partir dels seus estudis sobre els òxids de nitrogen (acabats el 1803), i el segon va ser la “regla de la màxima simplicitat”, que no va fer explícita fins al 1808. (Si només es coneix una sola combinació de dos elements aquesta serà AB, si se'n coneixen dues combinacions, seran AB i AB₂ o A₂B; etc.). A partir del 1803 Dalton va fer conèixer diferents versions de la seva taula de pesos atòmics relatius.

 

Desenvolupament de l'activitat

Dalton va desenvolupar la seva teoria atòmica gairebé com un tema separat de les seves recerques. De fet, la presentació de la seva teoria atòmica no ocupava més de cinc pàgines del seu llibre, A New System of Chemical Philosophy (1808). Els punts clau de la seva teoria eren que la matèria estava constituïda per àtoms sòlids i indivisibles envoltats d’una atmosfera de calòric, que els àtoms eren indestructibles i conservaven la seva identitat en les reaccions químiques, que hi havia tants tipus d’àtoms com d’elements i, per tant, tots els àtoms d'un element eren iguals, i que cada partícula atòmica tenia associada un pes atòmic relatiu. Les idees de Dalton varen suposar un nou impuls en l'estudi dels elements i, durant molt temps, van establir les bases dels experiments en els quals les substàncies en les reaccions químiques es pesaven molt curosament abans i després de reaccionar.

Representacions d'àtoms i molècules  en el A New System of Chemical Philosophy  (1808).

 

Pràctica 1

---

La lectura que es proposa, On the absorption of gases by water and other liquids, és una prova de com l'interès de Dalton per la meteorologia estava en el rerefons del seu atomisme químic. Després de llegir aquesta lectura hauríeu de considerar els aspectes següents:

• Quin era el problema què interessava Dalton?

• La solució del problema no passava per considerar els àtoms només com a bales de plom. Quina va ser la seva altra hipòtesi?

• Refeu els càlculs de Dalton per trobar el pes atòmic relatiu de l'oxigen que es mostra a la seva taula. Penseu que les dades de què disposava Dalton de la composició de l'aigua eren les que havia trobat Lavoisier (85 parts en pes d'oxigen per 15 parts d'hidrogen) i que va fer els seus càlculs a partir de "la regla de la màxima simplicitat".

 

Continuació de l'activitat

No tothom estava d'acord en la interpretació de Dalton de la teoria atòmica. Així, Dalton i Jöns Jakob Berzelius no estaven d'acord en si els àtoms només es combinaven en la relació més simple possible. Així, per exemple, Dalton proposava per a l'aigua la fórmula HO mentre que Berzelius optava per H₂O. Dalton no va contemplar inicialment amb bons ulls la hipòtesi d’Amedeo Avogadro que volums iguals de gasos diferents a la mateixa temperatura i pressió contenien el mateix nombre de partícules. Altres químics es van negar a acceptar que la teoria atòmica fos quelcom més que un model útil. Per a William Prout tots els elements, excepte l’hidrogen, eren compostos d’aquest, que el considerava com un “protil” (protomatèria). Friedrich Ostwald va insistir fins al final del segle XIX que la falta d’evidències directes de l’existència dels àtoms demostrava que aquests eren una quimera de la imaginació dels químics.

Si bé l'inici del segle XIX va veure el naixement de la teoria atòmica, la fi del segle va veure com la indivisibilitat dels àtoms de Dalton començava a enfonsar-se. Irònicament la naturalesa atòmica de la matèria va guanyar la seva plena acceptació quan es va comprovar la divisibilitat de l’àtom. Un dels principals arquitectes de la deconstrucció de l’àtom va ser Joseph John Thomson. Thomson va arribar a ser director del Cavendish Laboratory de Cambridge entre els anys 1884 i 1918. A partir de la meitat del 1890 els seus projectes de recerca varen estar centrats en els raigs catòdics i en els raigs X. El descobriment de l’electró se sol assignar a l’any 1897, quan Thomson va publicar un article al Philosophical Magazine on presentava el càlcul de la proporció massa / càrrega dels corpuscles dels raigs catòdics. 

J. J. Thomson amb el tub de raigs actòdics ca 1897. Tub de raigs catòdics amb què va determinar la relació e/m

Vídeo sobre l'experiment de Thomson amb raigs catòdics 

 

Pràctica 2

---

L'article de Thomson On cathode rays sol presentar-se com el del descobriment de l'electró. A partir de la lectura d'alguns fragments d'aquest article contesteu:

• Quina característica valora Thomson a l'hora de decantar-se per la teoria de la "partícula electrificada" per explicar la naturalesa dels raigs catòdics?

• Quin fet va fer pensar Thomson que les "partícules negatives" de dins del tub eren constituents comuns de la matèria?

• Per què Hertz havia fracassat en detectar la desviació dels raigs catòdics per un camp elèctric?

 

El mesurament per part de Thomson de la massa i la càrrega dels “corpuscles" va posar de manifest que l'àtom havia de tenir una estructura interna. Després de proposar diversos models per a l’estructura de l’àtom, no més tard del 1904 Thomson es va decidir pel model del “pastís de prunes” (English Christmas plum pudding). S’imaginava l’àtom d’hidrogen com una closca esfèrica amb càrrega elèctrica positiva uniformement distribuïda. Dintre d’aquesta closca, hi haurien milers d’electrons amb càrrega negativa distribuïts en esferes concèntriques —com si es tractés d’un pastís de prunes— responsables del pes de l’àtom. El 1904, Ernst Rutherford va fer veure que aquest model tenia l'inconvenient que si els electrons estaven en moviment aleshores els àtoms haurien de perdre energia en forma de radiació electromagnètica. Però la realitat era que es coneixien molts pocs àtoms inestables i, tot al contrari, la majoria eren estables!

El 1919 Ernst Rutherford substituiria Thomson com a director del Cavendish Laboratory, però abans (des del 1908) va estar treballant al laboratori de física de la Universitat de Manchester. Durant aquests anys van passar per aquest laboratori les lluminàries de la física de l’època: Hans Geiger, Kazimierz Fajans, James Chadwick, Ernest Marsden, Henry Moseley i Niels Bohr. Un dels principals projectes del laboratori era provar la hipòtesi sobre la distribució de càrrega elèctrica dins de l’àtom. La prova consistia a estudiar els recorreguts de raigs de partícules alfa o beta que incidien sobre fulles metàl·liques. D’acord amb el model de Thomson com que la massa de l’àtom, i també les càrregues positiva i negativa, estaven distribuïdes uniformement per tota l’esfera atòmica, era previsible que les partícules alfa (amb massa significativa) travessessin la làmina metàl·lica sense desviacions significatives. No obstant això, si el model atòmic del físic japonès Hantaro Nagaoka, que situava la càrrega positiva en una esfera col·locada dins d’un halo d’electrons, era correcte, les partícules alfa haurien d’experimentar una repulsió electrostàtica prop de l’esfera positiva i sofrir una desviació més notable que la prevista pel model de Thomson. Entre 1910 i 1911 Marsden i Geiger varen establir que una petita fracció (1/20000 aproximadament) de les partícules alfa incidents es desviaven en promig 90º en travessar una fulla d’or d’uns 0.00004 cm de gruix. Anys més tard, tot revisant aquests fets, Rutherford explicaria que el fenomen era tan creïble com ho podia ser que en disparar una bala contra un bloc de paper de 15 polzades de gruix, la bala rebotés contra qui dispara. El 1911, Rutherford va postular que un àtom contenia una càrrega positiva en el seu centre i estava envoltada per una capa esfèrica d’electricitat negativa del mateix valor i uniformement distribuïda. A efectes de determinar les masses dels nuclis, Rutherford va considerar que el nucli d’un àtom estava constituït per una agrupació d’un nombre necessari de nuclis d’àtoms d’hidrogen. Ressuscitant d’alguna manera la hipòtesi de Prout, Rutherford va suggerir l’existència d’una nova partícula elemental, a la qual va atribuir el nom de «protó» (noteu l’analogia amb el «protil» de Prout), amb la mateixa càrrega que l’electró (si bé de signe contrari) però amb una massa molt més gran.

Geiger i Rutherford a la Universitat de Manchester el 1912

A la tardor del 1911, Niels Bohr va arribar a Manchester per estudiar les tècniques de mesurament de la radioactivitat, després d’una curta estada al Cavendish Laboratory amb Thomson. Bohr compartia l’interès de la comunitat científica alemanya i danesa per la teoria quàntica que havia estat el focus d’atenció de la primera Conferència Solvay que aquella mateixa tardor s’havia celebrat a Brussel·les.  L’interès de Bohr en el tema era per esbrinar si les radiacions electromagnètiques emeses pels electrons d’un àtom es podien descriure millor amb la formulació que Max Planck havia fet sobre la radiació del cos negre i amb la formulació quàntica de la naturalesa de la llum per part d'Albert Einstein. L’estiu del 1912, Bohr va preparar per a Rutherford una memòria sobre el tema de l’estructura atòmica. Aquesta memòria acabaria sent una de les tres seccions de l’article «On the Constitution of Atoms and Molecules» en què es tractaven les relacions entre els anells d’electrons, la periodicitat dels elements químics i el problema de l’enllaç químic. El model atòmic de Bohr va substituir els termes de “capes” i “subcapes” d’electrons pels d'“òrbites" o “esferes”. El 1913, el físic danès i amic de Bohr, Hans Marius Hansen li va recomanar, en relació amb el seu model atòmic, que considerés els treballs de Johann Jakob Balmer i Johannes Rydberg sobre l’espectre de l’hidrogen. Bohr comentaria més tard que després de veure la fórmula de Balmer tot li va quedar immediatament clar.

Participants de la primera Conferència Solvay del 1911. Asseguts (E-D): Walther Nernst, Marcel Brillouin, Ernest Solvay, Hendrik Lorentz, Emil Warburg, Jean Baptiste Perrin, Wilhelm Wien, Marie Curie, i Henri Poincaré. Drets (E-D): Robert Goldschmidt, Max Planck, Heinrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Frederick Lindemann, Maurice de Broglie, Martin Knudsen, Friedrich Hasenöhrl, Georges Hostelet, Edouard Herzen, James Hopwood Jeans, Ernest Rutherford, Heike Kamerlingh Onnes, Albert Einstein, i Paul Langevin.

Applet per generar les sèries espectrals de l'àtom d`hidrogen

Bohr va desenvolupar el seu model atòmic utilitzant dues lleis de la física aparentment contradictòries. Per una part, va emprar la descripció clàssica de l’energia d’una massa puntual en la tradició de la mecànica newtoniana i l’electrostàtica coulombiana. (L’àtom d’hidrogen estava format per un nucli màssic amb càrrega positiva que atreia un electró negatiu. Les òrbites serien el·lipses keplerianes amb el nucli en un dels focus que es podien aproximar a circumferències per on circularia l’electró). Aquesta descripció permetia calcular la freqüència de rotació de l’electró al voltant del nucli.

Per altra part, Bohr va considerar que l’electró emetia o absorbia energia de manera quantificada a unes freqüències determinades per la llei de Planck. Evidentment, aquestes freqüències no coincidien amb les possibles freqüències de rotació de l’electró. Abans de la Segona Guerra Mundial, l’Institut de Física Teòrica de Bohr a Copenhaguen ja s'havia convertit en un dels nodes de la xarxa d’instituts de física teòrica que incloïa, a més a més, el d'Arnold Sommerfeld a Munich, el de Max Born a Göttingen i  el d'Erwin Schrödinger a Zuric.

En una conferència que Rutherford va fer el 1920 (Nuclear constituion of atoms) va especular sobre l’existència en el nucli atòmic d’un «doblet neutre» compost d’un protó i un electró. Així doncs, a partir d’aleshores, es va començar a pensar en una nova partícula atòmica, el neutró. Aquesta partícula va ser detectada l'any 1932 per un dels primers estudiants de Rutherford, Chadwick, que la va descobrir tot estudiant el guany anòmal d’energia observat en les col·lisions resultants de les emissions del beril·li. El descobriment del neutró el 1932 va completar el trio de les partícules clàssiques que componen els àtoms però, al mateix temps, va fer veure la necessitat de continuar la recerca d'altres partícules subatòmiques.