Els àtoms de Thomson, Rutherford i Bohr

Model de Thomson

La demostració experimental de l’existència dels electrons va permetre a J.J. Thomson elaborar el primer model atòmic, és a dir, fer una il·lustració sobre com les càrregues que formen l’àtom (positives i negatives, deixant de banda els neutrons) es trobaven distribuïdes en la totalitat de l’àtom. Thomson va optar per un model simple, en el qual la càrrega positiva massiva omplia uniformement el volum atòmic, mentre que els electrons se situaven en l’interior d’aquesta massa. El model de Thomson sovint s’associa amb la imatge que ofereix un púding de panses. (La següent il·lustració és en dues dimensions, però el model de Thomson contempla àtoms esfèrics).

A simple vista el model de Thomson semblava correcta, doncs donava lloc a càrregues positives i negatives dins de l’àtom (tot el que llavors es coneixia respecte a aquest). No obstant, un experiment realitzat pel físic Ernest Rutherford impossibilitaria l’aplicació del model de Thomson ens els àtoms reals.

L’experiment i l’àtom de Rutherford

El professor de física Ernst Rutherford va realitzar un experiment en el qual un feix de partícules alfa (carregades positivament) impactaven contra una làmina d’or molt fina. Utilitzant com a base el model de Thomson, Rutherford s’esperava que totes les partícules alfa travessessin la làmina d’or. El resultat va ser que, efectivament, gairebé totes les partícules alfa van penetrar la làmina d’or, i diem gairebé ja que el fet insòlit, i que va conduir al model de Rutherford, fou que unes quantes d’elles van simplement rebotar.

L’única explicació lògica que va trobar Rutherford a aquest fet extraordinari és que les partícules alfa havien topat amb un quelcom ubicat a l’interior de l’àtom de massa molt superior a la de les partícules i amb càrrega positiva. Però és més, el nombre de partícules desviades era tan escàs que va conduir a pensar a Rutherford que aquest “quelcom” havia de ser molt petit respecte les dimensions de l’àtom. La deducció és lògica, ja que si aquesta “cosa” fos més gran el nombre de partícules desviades seria major.

El recompte de dades i el conjunt d’observacions que va anotar Rutherford van ser els que li van permetre desenvolupar el model atòmic que porta el seu nom. En aquest, el nucli s’ubica en el centre de l’àtom (carregat positivament per la presència dels protons) i els electrons “orbiten” al seu voltant. I remarquem el verb orbitar ja que aquesta fou l’única solució que Ernst Rutherford trobà al motiu de per què l’electró no es precipitava cap al nucli.

Com que mantenen una gran relació anàloga, el model de Rutherford també és conegut com el model de “l’àtom planetari”.

L’aportació de Bohr

El model de Rutherford s’apropava molt més a la concepció que actualment tenim respecte l’àtom i el seu aspecte que no pas el de Thomson, no obstant, era incomplert, doncs tenia un problema: la inestabilitat. Donat que un electró té càrrega (negativa) hauria d’emetre radiació a mesura que recorre la seva òrbita. Destinar la seva energia a emetre llum suposaria la seva pèrdua d’estabilitat respecte l’òrbita que manté amb el nucli i la precipitació de la partícula negativa contra el nucli atòmic en menys d’una milionèsima de segon (caos).

Aquest problema catalogava al model de Rutherford com a més imprecís que el de Thomson, tot i això, Ernst Rutherford, confiat de la certesa de la seva idea, va demanar ajuda al llavors jove estudiant post doctorat en físic Niels Bohr. El procediment que Bohr va seguir en els seus treballs no està gaire clar, però sí va resultar ser prou senzilla la seva conclusió. Niels Bohr va escriure una fórmula força simple que ens ve a dir que “el moviment de rotació de l’electró tan sols podia venir donat en unitats quàntiques”. D’aquesta manera, tan sols estarien permeses certes òrbites, i és més, Bohr va desenvolupar la que seria l’òrbita mínima possible.

És així com Bohr va “prohibir” que un electró es precipités cap al nucli, i per tant, es garantís l’estabilitat de l’àtom.