ESTRUCTURA ATÒMICA

EXPLORACIÓ D’UN DESCOBRIMENT

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808):

• Després que els alquimistes intentaren la transmutació del plom en or, els químics, al segle XVIII establiren que:

• Element era una substància que no podia descompondre’s en altra per mètodes químics o físics.

Dalton (1766-1844) s’estranyava que l’aire, a distintes altures tingués la mateixa composició, malgrat que els components tingueren distinta densitat.

Més tard, se pensà que la causant de la difusió d’uns elements en altres, per donar la mescla homogènia que és l’aire - sense grans diferències d’altitud – era l’agitació tèrmica de les molècules.

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808):

1. TEORIA ATÒMICA DE DALTON (1803-1808):

Els elements són formats per àtoms indivisibles i inalterables

Tots els àtoms d’un element són idèntics en massa i propietats.

Els àtoms de diferents elements són diferents en massa i propietats.

Els composts es formen per la unió d’àtoms en proporció constant i senzilla.

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES:

a) Llei de conservació de la massa (Lavoisier):

A les reaccions químiques, els àtoms ni se creen ni se destruïxen, només canvia la seua distribució.

Llei de les proporcions definides (Proust):

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES:

La relació de masses que intervenen en una reacció química és constant.

  El nombre d’àtoms dels elements que composen el compost químic és el mateix sempre que se tracte del mateix compost. 

2. LLEIS PONDERALS DE LES REACCIONS QUÍMIQUES:

Llei de les proporcions múltiples (Dalton):    Les quantitats d’un element que s’uneixen amb una quantitat definida d’un altre estan en relació de números enters senzills.

3. VOLUMS DELS GASOS QUE SE COMBINEN PER REACCIONAR

GAY-LUSSAC (1808):

   En l’experiment en que se feien explotar hidrogen i oxigen en forma de gas per obtenir vapor d’aigua, s’observà que la proporció dels volums d’un i altre era de 2 volums d’hidrogen amb 1 volum d’oxigen per formar 2 volums d’aigua.

3. VOLUMS DELS GASOS QUE SE COMBINEN PER REACCIONAR

GAY-LUSSAC (1808):

   Conclusió:      Al reaccionar els gasos, en les mateixes condicions de pressió i temperatura, se combinen segons relacions volumètriques molt senzilles.

4. HIPÒTESI D’AVOGADRO PER ALS GASOS (1811):

El volum que devien ocupar les molècules dels gasos devia se menyspreable respecte del volum total del recipient que el conté, així que era raonable postular que:

    En volums iguals de dos gasos n’hi ha la mateixa quantitat de molècules d’un que de l’altre. Sempre que els dos estiguen a la mateixa pressió i temperatura.

5. EXPERIÈNCIES QUE CONDUÏREN A LA TEORIA

ATÒMICA MODERNA

5.1.1 OBTENCIÓ DE CORRENT ELÈCTRIC EN CANVIS QUÍMICS I

VICEVERSA (FARADAY)

Un corrent elèctric demostrà la seua capacitat de descompondre en els seus elements substàncies compostes.

   

5.1.2.    RAJOS CATÒDICS (J.J.THOMPSON)

        Com a conseqüència, se pensà que se produïa una escissió de l’àtom en dues parts, una positiva i altra negativa, comuna a tots els àtoms: l’electró.

5.2 MODEL ATÒMIC DE THOMPSON:

   L’àtom tindria una massa repartida uniformement i contínuament on estarien els electrons inserits com a grànuls separats i repartits per equilibrar la càrrega positiva.

5.3 EXPERIÈNCIA DE RUTHERFORD:

5.4 MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD

  La interpretació que Rutherford feu dels resultats de l’experiència anterior fou:

a)    Si la majoria de les partícules passen sense desviar-se, vol dir que l’àtom és buit en la immensa major part del seu volum.

b)    Les partícules alfa ( nuclis de He carregats positivament) que s’aproximen on és la càrrega positiva se desvien segons la proximitat a la que passen a la càrrega positiva de l’àtom.

c)    Si algunes reboten cap arrere, és perquè ha d’haver un nucli on estiga concentrada la càrrega positiva de l’àtom, responsable de tan tremenda repulsió.

d)    Els electrons hauran d’estar girant al voltant d’eixe nucli com en un sistema planetari.

5.4 MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD

5.4.1 PROBLEMES DEL MODEL

Les càrregues radiarien, per estar en un moviment accelerat com és qualsevol moviment circular (aN ), de manera que no podrien

mantenir-se en eixes òrbites i caurien irremissiblement  sobre el nucli, de càrrega positiva!

5.5 ALTRES EXPERIÈNCIES

5.5.1 RADIOACTIVITAT

5.5.2 DISPERSIÓ CROMÀTICA DE LA LLUM BLANCA

5.5.3 OBTENCIÓ D’ESPECTRES D’EMISSIÓ I ABSORCIÓ

5.5.1 RADIOACTIVITAT (BECQUEREL)

    L’existència de la radioactivitat, només pot explicar-se si suposem que dins de l’àtom n’hi ha partícules més petites que els propis àtoms.

5.5.2 DISPERSIÓ CROMÀTICA DE LA LLUM BLANCA (NEWTON)

Al segle XVII, ja havia descompost i recompost un feix de llum blanca en els seus colors components, que s’observaven com a franges contínues, tot fent-lo passar per un prisma i després per un altre.

5.5.3 OBTENCIÓ D’ESPECTRES D’EMISSIÓ I ABSORCIÓ (KIRCHOFF I

BUNSEN)

Espectres d’emissió i absorció del Mercuri

6. EXPERIÈNCIES QUE CONDUÏREN A LA TEORIA

ATÒMICA QUÀNTICA

6.1 POTENCIAL DE IONITZACIÓ D’ÀTOMS AÏLLATS

L’energia de ionització és l’energia necessària per arrancar un electró a un àtom.

Na+     5,12

Na++     47,3Na3+     71,5Na4+     98,9Na5+     139Na6+     173Na7+     209Na8+     264Na9+     300

Na10+     1460Na11+     1700

6.2 PRIMER POTENCIAL DE IONITZACIÓ DELS ELEMENTS DEL SISTEMA PERIÒDIC

6.3 MODEL ATÒMIC DE CAPES ELECTRÒNIQUES

De les experiències anteriors doncs podem deduir que: a)    els electrons estan distribuïts en un àtom per capes.b)    Que segons van omplint-se eixes capes, en augmentar el nombre d’electrons dels àtoms – en augmentar el número atòmic Z – l’últim electró és d’una capa electrònica més exterior i, per tant, costa menys energia extraure’l.

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE

Des de Hertz (1857-94) se sabia que la emisió de la radiació era deguda a les ones electromagnètiques emeses per oscil·ladors – càrregues oscil·lants – de manera que totes les freqüències estan presents en eixes emissions i se n’obté un espectre continu.        En la teoria clàssica l’energia E, emesa o absorbida, per un oscil·lador pot variar d’una manera contínua des de zero fins a qualsevol valor.

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE

Emisió del cos negre a 10.000 K

6.4 RADIACIÓ ENERGÈTICA DEL COS NEGRE

D’ací l’estranya explicació de Max Plank: a)    Un oscil·lador atòmic només pot tenir determinades energies que són múltiples enters de hf.                            E = nhf    b)    Un oscil·lador atòmic radia només quan passa d’un valor permés de la seua energia al valor pròxim permés menor i la radiació serà h f.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC

Se va comprovar que, quan la llum incideix sobre un metall, aquest emet electrons. Llavors se va fer una experiència en la que s’il·luminava un metall (càtode) i els electrons emesos eren atrets per l’ànode tancant un circuit i produint-se, per tant, un corrent elèctric.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC

Segons el feix lluminós fora més intens, pel que se sabia sobre les ones, deuria produir-se un augment de l’energia adquirida pels electrons – en una ona l’energia és proporcional a la intensitat d’aquesta – i, en conseqüència una eixida més ràpida d’aquestos. Doncs bé, això no és així, l’energia dels electrons resulta ser independent de la intensitat de l’ona incident.

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC

    Tanmateix, a major freqüència de l’ona incident, major és l’energia cinètica dels electrons.

Quan anem disminuint però la freqüència, arriba un moment que els electrons ja no ixen del càtode, és a dir, se necessita una freqüència llindar f0 per que isquen els

electrons. És a dir:hf = hf 0 + 1/2 me ·v

2max

6.5 EFECTE FOTOELÈCTRIC

Esta experiència condueix a un model d’àtom en el que els electrons s’hi troben com en un pou d’energies, de forma que l’ona electromagnètica subministraria o no, la suficient per eixir-ne.

6.6 NATURALESA CORPUSCULAR DELS FOTONS (EFECTE COMPTON)

Compton (1923) va trobar que quan un feix de raigs X era llançat contra un bloc de grafit – el grafit te electrons lliures – s’obtenia una radiació de longitud d’ona major que la incident.

S’explica com en un xoc entre dues boles de billar.

7. MODEL ATÒMIC DE BOHR

Era necessari elaborar un model d’àtom que arreplegués totes les conseqüències d’aquestes experiències.

7.1 PROBLEMES DEL MODEL DE BOHR

Postulats de Bohr:

En les òrbites permeses l’electró no radia, se troba en estat estacionari.

L’emissió o absorció d’energia se produeix només quan canvia d’òrbita i l’intercanvi d’energia se produeix en forma de fotons d’energia hυ

7.2 EXPERIÈNCIA AMB CAMPS MAGNÈTICS (ZEEMAN)

Quan se posava un gas incandescent dins d’un camp magnètic intens, tornaven a desdoblar-se les línies fines que hem trobat abans a l’espectre fi.     De manera que, necessitarem un altre número quàntic per caracteritzar estos nous nivells d’energia sorgits en presència del camp magnètic. m = -l,...,0,...,+l.

7.3 CONSTRUCCIÓ DE L’ÀTOM

Encara s’hagué d’introduir un altre número quàntic, esta vegada no caracteritza un nivell d’energia sinó a l’electró:

n’hi haurà electrons amb número quàntic de “spin” s = +½ i s = -½.       

7.3 CONSTRUCCIÓ DE L’ÀTOM

Tots els àtoms tenen el mateix nombre d’òrbites:

        7s 2     7p6

        6s 2     6p 6     6d 10

        5s 2     5p 6     5d 10     5f 14

        4s 2     4p 6     4d 10     4f 14

        3s 2     3p 6     3d 10

        2s 2     2p 6

        1s 2