Àtoms i quàntica per a tothom

Som química i som àtoms. Un concepte que forma part de tot el que existeix. El divulgador científic Joan Anton Català ens parla d'aquestes partícules i de tots els descobriments al seu voltant fins a dia d'avui.

Què és un àtom?

La idea prové dels antics grecs. Els grecs van ser els primers a arribar a la idea que les coses estan formades per entitats molt petites. Van deduir que, si tot es podia anar trencant en entitats més petites, havia d'arribar un punt en què ja no es poguessin seguir trencant. Els àtoms

Aquesta idea atòmica dels grecs queda una mica en l'oblit fins temps després...

A finals del segle XVIII un físic britànic que es deia John Dalton rescata la idea basant-se en el desenvolupament que s'estava realitzant en el camp de la química i el descobriment de diferents tipus d'elements. Va pensar que el que diferenciaria les coses seria els àtoms de què estarien formades. Anava errat, però això es va veure més endavant.

Així, el concepte d'àtoms va agafar protagonisme i hi va haver més descobriments.

L'any 1897 Joseph John Thomson feia un important descobriment mentre estudiava el comportament de corrents elèctrics que saltaven entre 2 elèctrodes dins un tub on s'havia creat el buit, els tubs catòdics. Thomson va demostrar que el raig que es generava dins el tub estava compost per partícules, que a més estaven carregades elèctricament ja que el raig es podia desviar aplicant camps magnètics. Era el primer gran descobriment d'una partícula subatòmica i a més fonamental. Així Thomson descobreix l'electró.

Devia ser un descobriment sonat. Què és una partícula fonamental?

Vol dir que actualment creiem que és indivisible. El descobridor de l'electró, Thomson, va ser Premi Nobel l'any 1906. A més d'un geni devia ser un magnífic professor, ja que ni més ni menys que 9 Premis Nobel més varen ser alumnes seus!

Qui i com va descobrir el protó?

La càrrega elèctrica de l'electró que va trobar Thomson era negativa, i com que les substàncies la matèria en general són neutres, no tenen càrrega, allò implicava que en la composició de la matèria hi devia haver quelcom també molt petit que compensava la càrrega negativa de l'electró, que devia tenir una càrrega positiva.

L'any 1911 el físic neozelandès Ernest Rutherford, treballant amb les emissions radioactives del radi que havia descobert Marie Curie, i fent impactar aquestes emissions, va mesurar dues coses interessants: una, que quasi totes les emissions de radiació aconseguien travessar la placa, és a dir, que la matèria està buida, o sigui, també nosaltres estem buits!

I segona, descobreix que les partícules que no aconseguien travessar la placa ho feien en dos angles. Rutherford va arribar a la conclusió que hi havia una nova partícula carregada positivament, el protó, molt més pesant que l'electró.

Rutherford també va ser el primer a intentar agrupar aquestes noves partícules, protons i electrons.

Ell crea el primer model atòmic, consistent en un nucli format per protons, de càrrega elèctrica positiva, rodejat pels electrons, de càrrega negativa.

Paral·lelament es descobria també la mecànica quàntica.

A principis del segle XX va néixer la mecànica quàntica, que ho va enredar tot una mica però que ens va donar molta llum també per entendre després els àtoms, amb el treball de científics tan importants com Planck, Schrödinger, Heisenberg o Pauli, entre molts altres.

El físic danès Bohr va evolucionar el model de Rutherford: diu que els electrons giraven en òrbites al voltant del nucli format per protons, semblants a les dels planetes... Però que han de ser que les òrbites estaven perfectament definides, no podien ser qualsevol. Estaven quantificades.

El descobriment d'aquest model va afectar altres àmbits de la ciència i de la química? Quins?

Totalment. L'any 1913, l'americà Gilbert Newton Lewis estableix que els enllaços químics són el producte de la cessió o el compartiment d'electrons entre àtoms. Allà començaven a entendre's les reaccions químiques que tants anys feia que es feien. L'estructura atòmica, en especial dels electrons, era el que conferia les propietats químiques a un element o a un compost!

Amb el descobriment del neutró, com queda l'estructura dels àtoms?

S'havien trobat varietats, per exemple, de l'hidrogen. Tipus d'hidrogen que pesaven un xic més.

Si tenien els mateixos protons i electrons... què era el que els feia tenir pesos diferents? Havia de ser un nou tipus de partícula, i la seva càrrega havia de ser neutra ja que els protons i electrons es compensaven. L'any 1932, en James Chadwick descobria el neutró, la partícula que faltava. per completar l'estructura atòmica, tal com la coneixem ara, amb un nucli format per protons i neutrons, i electrons en òrbites al voltant.

La quàntica torna a embolicar la troca...

El principi d'incertesa de Heisenberg diu que és impossible situar perfectament un electró a l'espai i saber coses de la seva energia alhora, la velocitat a la qual va, per exemple. S'ha de triar.

Precisament el protagonista de Breaking Bad, Walter White, agafa el seu nom de capo de la droga, Heisenberg, d'aquest científic.

I què passa quan es descobreixen les partícules subatòmiques?

Durant la meitat del segle XX es van començar a descobrir un munt de partícules subatòmiques! Es descobrien a partir de l'estudi dels rajos còsmics, que són bàsicament protons o nuclis d'heli que arriben a gran velocitat de l'espai i al xocar amb els àtoms de l'aire de les capes altes de l'atmosfera generen tota una cascada de partícules, es comença a fer el desordre. Serien com els acceleradors de partícules naturals.

Com s'ordena tot aquest caos de partícules?

Van dir que la natura no podia ser tan caòtica... A poc a poc, amb nous descobriments i sobretot amb els experiments que es van començar a fer dins els acceleradors de partícules, fent xocar partícules a gran velocitat per descobrir-ne d'altres i analitzar les seves propietats, es va posar ordre.

Es va descobrir que protons i neutrons no eren partícules fonamentals, i que a la seva vegada estaven compostos d'altres partícules més simples. D'aquelles primeres partícules de començaments de segle XX, només l'electró quedava com a realment fonamental.

I neix el Model Estàndard de Partícules. Què diu?

Conté partícules i totes elles amb els seus corresponents germans d'antimatèria. I a més d'altres partícules que són les mitjanceres de les forces de la natura, com els fotons (llum).

És el model definitiu?

Sabem que en vindran més, perquè hi ha coses que no ens explica, com la famosa matèria fosca que hi ha a l'univers. De què estarà feta? És possible que la natura ens torni a sorprendre properament amb la seva exuberància a nivell subatòmic i se'ns tornin a desordenar els models!