1.3 Estructura de l'atom

Al principi del s XX hom coneixia, doncs, l'existència de dues partícules de càrregues oposades, electró i protó, que podien explicar la neutralitat elèctrica dels àtoms. Calia esbrinar com els formaven, però. Perrin proposà el 1901 que l'àtom era com un petit sistema solar, els electrons orbitant una partícula central positiva. H. Nagaoka, tot seguint una idea similar, indicà el 1904 que tots els electrons es disposaven en òrbites a la mateixa distància del centre, movent-se amb la mateixa velocitat angular. J.J. Thomson (1903) descrigué l'àtom com una esfera carregada positivament sobre la qual s'aplegaven els electrons, oscil.lant a l'entorn del centre i neutralitzant-ne la càrrega. El descobriment de la radioactivitat per Becquerel (1896) estimulà les investigacions en una direcció que hom no havia mai considerat. Les emissions radioactives naturals de l'urani fornien partícules que hom podien usar com a projectils per a bombardejar àtoms. Entre el 1908 i el 1909, H. Geiger, E. Marsden i E. Rutherford feren experiències de bombardeig d'una pel.lícula d'or amb partícules α i observaren que algunes eren desviades (posant en qüestió el model d'esfera neutra de Thomson) i que, fins i tot, algunes sortien rebotades. Com a conseqüència d'aquestes experiències, el 1911 Rutherford conclogué que l'àtom consistia d'una part central molt petita, que condensava la càrrega positiva (nucli), i d'un conjunt d'electrons que es movien d'alguna manera a gran distància, deixant un gran buit enmig. El model de Rutherford era qualitativament molt suggestiu, però estava en desacord amb les concepcions de la mecànica clàssica i de l'electromagnetisme. Una de les dificultats principals consistia a explicar com un electró en òrbita el.líptica al voltant del nucli (moviment que havia de seguir segons la mecànica clàssica) podia mantenir-se en òrbita estable si, d'acord amb l'electrodinàmica clàssica, havia d'emetre radiació a conseqüència del moviment accelerat i, per tant, perdre contínuament energia i decaure ràpidament (en un temps inferior als 10^-1⁰s) cap al nucli. Contra aquest requeriment de les teories clàssiques s'imposava l'evidència que els àtoms eren estables (no dequeien) i que la radiació emesa pels àtoms excitats no presentava un espectre continu, sinó que hi havia ratlles de freqüències ben determinades. La solució del problema fou obra de N. Bohr, que el 1913, en fer una síntesi dels treballs de Planck i Rutherford, proposà un model que, violant l'electrodinàmica clàssica, conservava, però, el model mecànic clàssic. Segons Bohr, els electrons descrivien òrbites circulars, però només aquelles en què el moment angular era un múltiple enter posititu de h = h/2π, essent h la constant de Planck. No totes les òrbites eren possibles, sinó només les permeses per l'anterior condició: les òrbites eren quantitzades. Quan un electró passava d'una de les òrbites permeses E_ia una altra E_j, s'emetia radiació de freqüència v = "E_i - E_j" / h. La varietat de salts possibles explicava les diferents ratlles de la part visible de l'espectre d'emissió de l'hidrogen i permetia d'obtenir teòricament un valor de la constant de Rydberg que s'adeia amb l'obtingut experimentalment. Les mancances del model consistien en el fet que no explicava la intensitat de les ratlles espectrals, que no donava una bona explicació dels espectres d'àtoms de més d'un electró i que tampoc no podia explicar els detalls fins de l'espectre de l'hidrogen (estructura fina). Posteriors millores del model, com la feta el 1915 per Sommerfeld, Wilson i Ishiwara o la incorporació d'aproximacions relativistes feta per Sommerfeld el 1919, aconseguiren de millorar algun resultat (explicació de l'estructura fina de l'hidrogen) però no acabaren de reeixir. Les causes de la incompletesa d'aquests models cal cercar-les en les seves bases, que no eren més que fràgils analogies amb models clàssics, i en la insostenibilitat d'algunes de les seves hipòtesis, com l'estabilitat no radiativa d'un electró en òrbita clàssica. La solució d'aquestes incoherències vingué amb el naixement de la mecànica quàntica, obra de De Broglie, Heisenberg, Schrödinger i Born. A més d'aquest nou marc teòric, que millorà el coneixement de l'estructura electrònica dels àtoms, el coneixement del nucli avançà molt gràcies als descobriments relacionats amb la radioactivitat.