Models atòmics clàssics

Quan John Dalton va proposar el seu model atòmic el $1808$, va imaginar els àtoms com a diminutes esferes massisses. Explica amb les teves paraules les dues idees principals del seu model: què és un àtom segons Dalton i en què es diferencien els àtoms d'un element dels d'un altre element diferent.

El $1897$, J. J. Thomson va experimentar amb tubs de raigs catòdics, uns tubs de vidre gairebé buits amb dos elèctrodes connectats a un voltatge molt alt. L'esquema d'un d'aquests tubs es mostra a la figura.

Quina partícula va descobrir Thomson gràcies a aquests experiments? Quina càrrega elèctrica té aquesta partícula i d'on sortia, segons la seva interpretació?

El $1911$, Rutherford i els seus col·laboradors van bombardejar una làmina d'or finíssima amb partícules $\alpha$, que tenen càrrega positiva. Què els va passar a la immensa majoria de les partícules en arribar a la làmina? Quina conclusió va treure Rutherford sobre com és l'interior de l'àtom?

Segons la física clàssica, un electró que gira al voltant del nucli hauria de perdre energia contínuament emetent llum i acabar caient sobre el nucli en una fracció de segon: el model de Rutherford feia els àtoms inestables.

1. a) Què va postular Bohr sobre les «òrbites estacionàries» per evitar aquesta catàstrofe?
2. b) Què significa que Bohr introduís un «postulat» en comptes de deduir-lo de les lleis conegudes? Què justifica acceptar un postulat nou en ciència?
3. c) Quin fet experimental, inexplicable per al model de Rutherford, sí que explicava el model de Bohr gràcies als seus nivells d'energia?

El $1913$, Niels Bohr va aplicar les noves idees quàntiques a l'àtom d'hidrogen. Explica què va postular Bohr sobre les òrbites dels electrons i què passa, segons el seu model, quan un electró salta d'una òrbita permesa a una altra d'inferior.

Un tub de descàrrega ple d'hidrogen brilla amb una llum rosada que, vista a través d'un espectroscopi, se separa en unes poques línies de colors ben definides. Observa el muntatge a la figura:

1. a) Explica, amb l'ajuda del model de Bohr, per què l'hidrogen emet només certs colors i no un arc de Sant Martí continu.
2. b) Quina relació hi ha entre l'energia del salt de l'electró i el color de la línia emesa?

Segons el model de Bohr, els tres primers nivells d'energia de l'hidrogen són $E_1 = -13,6\ \text{eV}$, $E_2 = -3,4\ \text{eV}$ i $E_3 = -1,5\ \text{eV}$. Quan un electró cau d'un nivell a un altre d'inferior, emet un fotó l'energia del qual és exactament la diferència entre tots dos nivells. La figura mostra els tres nivells i les dues transicions.

1. a) Calcula l'energia del fotó emès en les transicions $E_3 \rightarrow E_2$ i $E_2 \rightarrow E_1$.
2. b) Quin dels dos fotons és més energètic? Sabent que a més energia del fotó correspon més freqüència de la llum, quina de les dues llums emeses té més freqüència?
3. c) Explica, a partir d'aquests resultats, per què l'espectre de l'hidrogen està format per línies separades i no és continu.

Els focs artificials deuen els seus colors a les sals que porten: l'estronci dona llum vermella; el sodi, groga, i el coure, blau verda. Cada element, en escalfar-se, emet llum d'uns colors característics que formen el seu espectre d'emissió. Explica què és l'espectre d'un element i per què es diu que és com la seva empremta dactilar.

El $1868$, en estudiar l'espectre de la llum del Sol durant un eclipsi, es va observar una línia groga que no corresponia a cap element conegut a la Terra. Es va proposar que pertanyia a un element nou, batejat heli, del grec helios, «Sol».

1. a) Explica com és possible conèixer la composició química d'un estel sense portar-ne mostres.
2. b) Què té a veure aquest descobriment amb la idea que cada element posseeix un espectre característic?

La sèrie de Balmer de l'hidrogen compleix la fórmula

$\frac{1}{\lambda} = R_{\text{H}}\cdot\left(\frac{1}{2^2} - \frac{1}{n^2}\right)$, amb $R_{\text{H}} = 1,097\cdot10^{7}\ \text{m}^{-1}$ i $n = 3, 4, 5\dots$

1. a) Calcula la longitud d'ona $\lambda$ per a $n = 3$ i expressa-la en $\text{nm}$. A quin color de l'espectre visible correspon, aproximadament?
2. b) Repeteix el càlcul per a $n = 4$.
3. c) Què els passa a les longituds d'ona quan $n$ creix? Calcula el valor límit per a $n \rightarrow \infty$ i explica per què les línies de la sèrie es van ajuntant cada vegada més.

En una línia del temps de l'aula de Física apareixen aquestes fites desordenades: model de Rutherford ($1911$), model de Dalton ($1808$), model de Bohr ($1913$) i model de Thomson ($1897$). Ordena els quatre models del més antic al més modern i escriu el nom popular amb què es coneix el model de Thomson.

Una revista de divulgació publica quatre cites sense dir qui les va escriure. Atribueix cadascuna a Dalton, Thomson, Rutherford o Bohr:

1. a) «L'àtom és una esfera massissa i indivisible.»
2. b) «L'àtom és una esfera de càrrega positiva amb els electrons incrustats en ella.»
3. c) «La càrrega positiva i gairebé tota la massa es concentren en un nucli diminut.»
4. d) «Els electrons només poden ocupar certes òrbites, amb energies ben definides.»

El $1932$, Chadwick va bombardejar beril·li amb partícules $\alpha$ i va obtenir una radiació molt penetrant que no es desviava amb camps elèctrics i que era capaç d'arrencar protons d'una làmina de parafina: havia descobert el neutró. El muntatge de l'experiment es mostra a la figura.

1. a) Per què una radiació sense càrrega no es desvia amb camps elèctrics?
2. b) Raona per què el neutró va ser molt més difícil de detectar que l'electró o que la partícula $\alpha$.
3. c) Els nuclis coneguts pesaven més del doble del que pesarien si només continguessin protons: explica com el descobriment del neutró va resoldre aquest problema del model nuclear.