Exercicis: Els models atòmics (de Dalton a Bohr)

A classe de Física, la professora ensenya una bola de billar i diu que així imaginava Dalton els àtoms cap a l'any $1805$, com es mostra a la figura.

Explica amb les teves paraules què és un àtom segons el model de Dalton i quines dues propietats tenia aquesta «bola».

L'àvia de l'Iker prepara un púding amb panses, com el de la figura.

Thomson va imaginar l'àtom com aquestes postres: explica què representa la massa del púding en el seu model i què representen les panses.

L'Aitana veu en un documental l'experiment de la làmina d'or de Rutherford: es llançaven partícules $\alpha$, amb càrrega positiva, contra una làmina d'or finíssima, com es mostra a la figura.

Què els va passar a la gran majoria de les partícules en arribar a la làmina? Quina conclusió va treure Rutherford sobre l'interior de l'àtom?

A la sínia d'una fira només pots viatjar assegut en una cabina, mai penjat a l'aire entre dues cabines. Bohr va proposar una cosa semblant per als electrons, com es mostra a la figura.

Explica què va dir Bohr sobre les òrbites dels electrons i en què es diferenciava el seu model del de Rutherford.

Uns cromos de «científics de l'àtom» porten aquestes dates: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Ordena els quatre models atòmics del més antic al més modern.

El joc preferit del Mario s'actualitza sovint per corregir errors i afegir millores. Amb els models de la ciència passa una cosa semblant: explica per què els científics canvien un model per un de nou.

En un museu de la ciència, en Leo observa un tub de rajos catòdics com el que va utilitzar Thomson en els seus experiments, semblant al de la figura.

Quina partícula va descobrir Thomson amb aquest aparell i quina càrrega elèctrica té?

A l'exposició «Els detectius de l'àtom» hi ha quatre panells descol·locats. Emparella cada descripció amb el seu científic: Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr.

1. a) «L'àtom és una esfera massissa i indivisible.»
2. b) «Els electrons estan incrustats en una esfera amb càrrega positiva, com les panses en un púding.»
3. c) «Gairebé tot l'àtom està buit i la càrrega positiva es concentra en un nucli molt petit.»
4. d) «Els electrons només poden ocupar certes òrbites permeses.»

En l'experiment de la làmina d'or es van observar tres coses: la majoria de les partícules $\alpha$ travessaven la làmina sense desviar-se, unes poques es desviaven i, molt rarament, alguna rebotava cap enrere, com es mostra a la figura.

Escriu la conclusió que Rutherford va treure de cadascuna de les tres observacions.

En un debat de classe, la Nora defensa que l'experiment de la làmina d'or va enfonsar el model de Thomson. Si l'àtom fos de veritat una esfera de càrrega positiva amb electrons incrustats, què els hauria d'haver passat a les partícules $\alpha$ en arribar a la làmina? Quina observació de l'experiment no encaixa amb aquesta predicció? Justifica la resposta.

Al model de Rutherford se l'anomena «model planetari» perquè recorda el sistema solar, com es mostra a la figura.

Indica una semblança i una diferència entre els planetes que giren al voltant del Sol i els electrons que giren al voltant del nucli (pensa en quina força manté unit cada sistema).

Per explicar el model de Bohr, un professor compara una escala amb un tobogan, com a la figura: a l'escala només pots estar sobre un graó, però al tobogan pots aturar-te a qualsevol alçada.

Relaciona cada imatge amb un dels dos models, el de Rutherford i el de Bohr, i explica què representa cada graó de l'escala.

Aquestes quatre descripcions de models atòmics estan desordenades:

1. a) «Els electrons giren al voltant d'un nucli central, com els planetes al voltant del Sol.»
2. b) «L'àtom és una bola massissa i indivisible.»
3. c) «Els electrons només poden estar en certes òrbites permeses.»
4. d) «L'àtom és una esfera positiva amb electrons incrustats.»

Ordena-les cronològicament, del model més antic al més recent, i escriu el nom del científic que va proposar cadascun.

Els televisors antics de tub funcionaven amb rajos catòdics, els mateixos amb què Thomson va descobrir l'electró el $1897$. L'electró és una partícula que surt de dins de l'àtom: explica per què aquest descobriment va obligar a canviar el model de Dalton.

Quan Rutherford va proposar el seu model no va poder ignorar el que ja se sabia: per exemple, que els àtoms són elèctricament neutres. Explica com encaixa la neutralitat de l'àtom en el model de Rutherford (nucli positiu i electrons) i per què un model nou ha d'explicar també els fets que l'anterior ja explicava bé.

Imagina que en l'experiment de la làmina d'or la majoria de les partícules $\alpha$ haguessin rebotat cap enrere en lloc de travessar la làmina. Què hauria conclòs Rutherford sobre l'interior de l'àtom en aquest cas? A quin model dels que coneixes s'assemblaria més aquesta conclusió? Raona les respostes.

En l'experiment de la làmina d'or, de cada $8000$ partícules $\alpha$ llançades, unes $7992$ travessaven la làmina sense desviar-se, unes $7$ es desviaven i només $1$ rebotava.

1. a) Calcula quin percentatge de les partícules travessava la làmina netament.
2. b) Quina fracció de les partícules llançades rebotava?
3. c) Explica, a partir d'aquests nombres, per què Rutherford va afirmar que l'àtom està gairebé buit i que el nucli és diminut.

Per explicar els models, un grup d'alumnes fa servir una síndria amb llavors com a imatge del model de Thomson.

1. a) Explica què representa cada part de la síndria en aquest model.
2. b) Proposa tu un objecte o una situació quotidiana que representi el model de Rutherford i explica què és cada element.
3. c) Cap comparació és perfecta: assenyala un defecte de la imatge de la síndria com a model de l'àtom.

En un treball, el Pablo escriu: «El model de Dalton estava equivocat, així que no va servir per a res». No hi estàs d'acord. Explica dues coses que el model de Dalton sí que explicava bé (per què hi ha elements diferents i com es combinen els seus àtoms) i una cosa que no podia explicar i que va obligar a canviar-lo.

Les partícules $\alpha$ tenen càrrega positiva, igual que el nucli de l'àtom, com es mostra a la figura.

1. a) Explica, fent servir les forces entre càrregues elèctriques, per què una partícula $\alpha$ que passa a prop del nucli es desvia del seu camí.
2. b) Per què les partícules que reboten cap enrere són precisament les que s'apropen més al nucli?
3. c) Si la làmina es bombardegés amb partícules sense càrrega, esperaries veure els mateixos desviaments? Justifica-ho.

Escriu una breu entrada d'enciclopèdia titulada «La història de l'àtom en quatre models». Per a cada científic (Dalton, Thomson, Rutherford i Bohr) indica què va aportar el seu model i quina observació o experiment li donava suport.

Uns científics repeteixen l'experiment amb una làmina d'un altre metall diferent de l'or i observen que ara reboten el doble de partícules $\alpha$, tot i que continuen sent molt poques.

1. a) Continua sent vàlida la idea que l'àtom està gairebé buit? Per què?
2. b) Proposa una hipòtesi que expliqui per què amb aquest metall reboten més partícules (pensa en com pot ser el seu nucli en comparació amb el de l'or).
3. c) Quin nou experiment faries per comprovar la teva hipòtesi? Raona les respostes.

El model de Rutherford tenia un problema: segons la física de l'època, un electró girant al voltant del nucli hauria d'anar perdent energia i acabar caient-hi a sobre, com es mostra a la figura, i llavors els àtoms no serien estables.

1. a) Explica què va proposar Bohr per evitar aquesta caiguda de l'electró.
2. b) Per què diem que Bohr va afegir una «regla nova» en lloc de limitar-se a dibuixar més bé les òrbites de Rutherford?

El teu cosí de vuit anys et pregunta per què als llibres de ciència canvien els dibuixos de l'àtom. Escriu-li una explicació senzilla (pots comparar-ho amb actualitzar un mapa quan es descobreix un camí nou) explicant-li com es va passar del model de Dalton al de Bohr i quin paper van tenir els experiments en aquests canvis.