Teoria atòmica: homenatge a l'experiment de Rutherford

La teoria atòmica és un dels meus temes preferits. Pensar que al segle V aC el filòsof Demòcrit (i sembla que també el seu mestre Leucip) ja es va preguntar de què estaven fetes les coses i el fet que hi donés resposta, sense evidències científiques ni experiments, és clar, plantejant la paraula àtoms ("indivisible" en grec), ho trobo senzillament espectacular. Altres teories de l'època sembla que són les que van triomfar, com la d'Aristòtil, que va parlar dels 4 elements, terra, aire, aigua i foc, que combinats en diferents proporcions donaven forma a tot el nostre món material.

Pel que tinc entès, fins el 1808 quan John Dalton va elaborar la seva teoria atòmica, no es va recuperar la idea dels àtoms que proposà Demòcrit. És a dir que durant 2300 anys es va creure en la combinació dels 4 elements (més l'éter) per entendre el món. Dalton va elaborar uns postulats que venien a dir que la matèria és formada per unes partícules discretes, diminutes i indivisibles, els àtoms; que hi ha diferents tipus d'àtoms; que en les reaccions químiques els àtoms no s'alteren com a tals, si no que es combinen entre ells de diferents maneres; i que els àtoms sempre es combinen entre ells en la mateixa proporció per formar compostos químics.

Els símbols dels elements de Dalton (font: commons.wikimedia.org)

A partir de la teoria de Dalton, tot va anar molt més ràpid: la següent teoria atòmica ja només va trigar en arribar uns 90 anys, quan cap al 1904 J. J. Thomson, amb el descobriment de l'electró, va fer que la suposada indivisibilitat de l'àtom no fos tal, i plantegés el seu model de "púding de panses" (actualitzat amb els meus alumnes com a model "Chips Ahoy" (c)), segons el qual l'àtom és com una galeta compacta que té una càrrega positiva i, incrustades, té unes petites partícules de xocolata: els electrons.

Pocs anys després, cap al 1911 un alumne de Thomson, Ernest Rutherford, va proposar un nou model atòmic on clarament els àtoms estaven formats per partícules més petites (protons, neutrons i electrons) i, a més, uns estàven al centre de l'àtom o nucli (protons i neutrons) i altres (electrons) estàven a l'escorça en òrbita al voltant del nucli. Rutherford va idear el seu famós experiment, que consistia en llançar partícules alfa (nuclis de l'element Heli) contra una capa molt fina d'or.

Reproducció de l'experiment de Rutherford (font: wikimedia commons)

Al llençar les partícules alfa contra la làmina d'or, es podria esperar que aquestes atravessessin la fina capa, o pel contrari no poguessin passar i rebotessin; els resultats del seu experiment foren sorprenents, ja que hi va haver partícules alfa que van passar "a través" dels àtoms d'or de la fina capa; d'altres que van rebotar; i finalment, altres que van atravessar la capa però desviant-se de la seva trajectòria inicial. Podem deduir com és l'àtom per dins amb aquests experiments? Rutherford ho va tenir clar, i va proposar un model atòmic on hi havia un nucli format per protons i neutrons, on les partícules alfa rebotaven o es desviaven; una capa externa d'electrons (l'escorça); i una part central, entre el nucli i l'escorça on no hi ha via ABSOLUTAMENT RES (buit) i que era per on passaven les partícules alfa sense desviar-se.

Explicació de les trajectòries de les partícules alfa després de ser llançades contra la làmina d'or (Font: tap.iop.org/atoms/rutherford/index.html)

La pràctica que s'ha pensat per fer a 3r d'ESO per reproduir l'experiment de Rutherford consisteix en disposar de caniques (que faran de partícules alfa); peces de Lego (que formaran una estructura amb forats que s'amagarà); i un disc de vinil que taparà l'estructura de Lego i que deixarà passar les caniques llençades permetent veure per quin lloc surten. La pràctica consisteix en llençar 100 vegades les caniques contra l'estructura de Lego i anar anotant si les caniques a) continuen en línia recta; b) es desvien; c) reboten. A patir de l'observació de les trajectòries de sortida i la freqüència de les 3 resultats a, b i c, els alumnes poden deduir quina structura de Lego tenien amagada.

Finalment, el vinil s'aixeca per comprovar si s'ha encertat en la predicció de la forma de Lego amagada. Una pràctica que consisteix a llençar caniques contra Lego i que porta associat un repte de descobriment: en teoria no pot fallar!