Com se sap que existeixen els àtoms?

Fa temps estava parlant amb algú que deia que li costava creure en els àtoms. Era una persona benintencionada i que no posava en dubte la seva existència. Simplement deia que a ell li costava entendre com podem estar tan segurs que els àtoms existeixen. I la veritat, em sembla un dubte raonable per a algú que no té molt contacte amb la ciència.
Els àtoms són petits fins a l'extrem del ridícul. Tant que mai els hem vist (entenent veure com rebre raigs de llum visible provinents de l'objecte que estem observant). Els àtoms són més petits que la longitud d'ona de la llum visible, la qual cosa vol dir que intentar veure'ls il·luminant seria alguna cosa així com intentar destriar la forma d'una tassa llançant-li pilotes de bàsquet. Necessitem altres mètodes més precisos, mètodes que no han començat a ser possibles fins fa molt poc.

En aquesta imatge -obtinguda amb el TEAM 0.5 de Berkeley- s'aprecien els àtoms de carboni (en groc i en relleu) que conformen els hexàgons de l'estructura del grafè.

Però l'existència dels àtoms no es posa en dubte des de fa molts anys. Quines proves teníem per assumir que sí que n'hi ha? De manera resumida, podem dir que assumint l'existència dels àtoms, podem donar explicació a un ventall enorme de fenòmens. Vegem-ne alguns.
Més o menys de forma simultània, a principis del segle XIX, es van enunciar dues lleis químiques. Les dues formen part del que avui coneixem com a lleis estequiomètriques. Una d'aquestes lleis és la coneguda com a Llei de Proust, o Llei de les Proporcions Constants. Diu que, quan dos elements químics es combinen per donar un compost, ho fan sempre en la mateixa proporció de masses. Com a exemple pràctic, podem observar el cas de l'aigua. Si descomponem totalment 1 quilogram d'aigua en els seus elements constituents, observem que aproximadament 888 grams es corresponen amb l'oxigen, mentre que la resta (112 grams) es corresponen amb l'hidrogen. Si descomponem un gram, veurem que se segueix la mateixa proporció. Qualsevol quantitat d'aigua està composta per aproximadament un 88,8% d'oxigen i un 11,2% d'hidrogen. Si seguim disminuint la mostra, ha d'arribar un moment en què no puguem seguir dividint més. Aquesta petita porció d'aigua, la més petita possible, hauria de seguir aquestes mateixes proporcions abans esmentades. I una explicació interessant del fenomen seria que cada petit tros d'aigua estigués compost per partícules de diferents tipus, en aquest cas, hidrogen i oxigen.

Però això no és suficient per afirmar l'existència dels àtoms, i de fet, no ens diu gaire sobre la seva naturalesa. Per què hi ha d'haver una unitat mínima d'aigua? No podem seguir disminuint sempre? Però la història segueix.
La segona llei és la de les proporcions múltiples, enunciada pel químic i físic britànic John Dalton. És massa enrevessada com per posar l'enunciat complet aquí des d'un principi. Tot i així, un exemple pràctic s'entendrà bé.
Suposem dos compostos químics de fórmula semblant, l'aigua (H2O) i el peròxid d'hidrogen (H2O2). Si descomponem totalment un quilogram d'aigua en els elements que el formen, veurem que obtenim 888 grams d'oxigen, i 112 grams d'hidrogen. Dit d'una altra manera, obtenim 7.929 grams d'oxigen per cada gram d'hidrogen. Si fem el mateix amb el peròxid d'hidrogen, obtindríem 941 grams d'oxigen i 59 grams d'hidrogen, que equivalen a 15.949 grams d'oxigen per gram d'hidrogen. Amb aquests números a la mà 7929 g (O) / g (H) i 15.949 g (O) / g (H) - podem concloure que el segon número és el doble del primer. O expressat d'una altra manera, "quan dos elements [com l'oxigen i l'hidrogen] s'uneixen per formar diferents compostos amb la massa d'un dels elements fixa, la massa de l'altre es pot relacionar mitjançant fraccions de nombres petits". Aquest és l'enunciat una mica enrevessat al qual em referia abans.
Si la Llei de Proust ens indicava que els elements sempre es combinen seguint les mateixes proporcions per donar els mateixos compostos (la qual cosa ens feia sospitar que hi ha d'haver els àtoms), la Llei de les proporcions múltiples ens diu alguna cosa no menys important: que els elements poden combinar-se entre si per formar més d'un compost diferent (cosa que Proust no havia tingut en compte) i que a més, es combinen seguint sempre determinades proporcions. També ens proporciona una eina per obtenir les fórmules de diferents compostos químics. Això, de nou, tindria sentit si suposem l'existència d'àtoms. Però la cursa per demostrar que hi ha unitats mínimes de cada element no havia fet més que començar.
Dalton, en vista d'aquests resultats, va fer públic el primer model atòmic amb una base científica. En una ostentació d'originalitat, avui el coneixem per model atòmic de Dalton. Des de la nostra posició podria semblar un model molt simplista (i ho és), però era suficient a l'època per explicar els fenòmens en què Dalton s'havia fixat. No va ser sinó el primer de molts models atòmics, més dels que hi ha a la imatge de sota. Val la pena dir (encara que no és una cosa del que parlaré en aquest article) que cada model atòmic va sorgir per suplir mancances de l'anterior.

Amb anterioritat als experiments de Proust i Dalton, la comunitat científica havia estat produint un bon conjunt de regles que explicaven de forma més o menys satisfactòria el comportament dels gasos. La majoria d'aquestes lleis, encara que no són vàlides més que en un rang relativament petit de temperatures i pressions, se segueixen ensenyant a les escoles i instituts. Són lleis que relacionen matemàticament diferents magnituds, com la temperatura, la pressió, el volum ...
Al segle XVIII es va començar a gestar una teoria que tenia com a objectiu explicar des d'un punt de vista estadístic el comportament dels gasos. Hem de tenir en compte que en una mostra petita de gas (qualsevol), hi ha una quantitat enorme de partícules, ja siguin molècules o àtoms individuals. Per tant, no és possible estudiar el conjunt segons el comportament de partícules individuals, així que es va optar per fer-ho de forma estadística. Aquesta teoria, que es coneix com Teoria cinètica dels gasos, fa una sèrie de suposicions. La primera i més cridanera és que els gasos estan compostos per partícules.

Simulació per ordinador del comportament d'un gas a nivell atòmic, segons la Teoria cineticomolecular. La velocitat s'ha reduït perquè el moviment sigui apreciable.

A més, se suposa que les partícules són masses puntuals (sense dimensió, ja que són enormement petites al comparar-les amb el seu recipient). Es considera que són moltes, que segueixen les lleis de moviment de Newton, que els xocs que tenen lloc són elàstics, que només hi ha un tipus de partícules i un parell de suposicions més que ajuden a simplificar els càlculs. Pot semblar que totes aquestes suposicions s'allunyen molt de la realitat, però la veritat és que la Teoria cinètica, en el seu conjunt, ofereix prediccions que s'ajusten bé a les observacions. I no oblidem quins són els seus postulats: que els àtoms existeixen i que, a més, tenen certes propietats.
Però no acaba aquí la cosa, és clar. A la fi del segle XVIII, el metge britànic Jan Ingenhousz va observar que petites partícules de carbó en suspensió en alcohol semblaven moure's de forma aleatòria. La seva observació va passar desapercebuda, i quatre dècades després el botànic compatriota de Jan, Robert Brown, es va adonar d'alguna cosa semblant. En el cas de Brown, va notar que petites partícules de pol·len semblaven moure's de forma aleatòria en estar suspeses en aigua. En el seu honor (potser injustament, ja que Brown ni tan sols va estudiar aquest fenomen) coneixem aquest tipus de moviment com moviment brownià.

Simulació del moviment aleatori d'una partícula relativament gran causa de les col·lisions de partícules molt més petites.

No va ser fins a 1905 quan algú va explicar de manera definitiva què és el moviment brownià. L'encarregat de fer-ho no va ser altre que Albert Einstein. Va publicar un article científic a la revista coneguda com Annalen der Physik, en el qual explicava que el moviment brownià no és més que el resultat d'una sèrie de col·lisions per part de les molècules del fluid a altres partícules més grans, com les de pol·len o carbó. El que havia vist Robert Brown anys abans era la trajectòria que seguien les partícules de pol·len en ser colpejades de forma aleatòria, milions de vegades per segon, per les diminutes molècules que conformen l'aigua.
Els últims detractors de l'atomisme s'havien quedat sense arguments. Segles d'investigació científica no feien sinó llançar proves a favor de l'existència d'aquests petits ens. Ara ja hi havia proves suficients (moltes més de les que he esmentat aquí) per acceptar que els àtoms hi són. Però, com són?
Uns paràgrafs més amunt vaig esmentar que Dalton va fer públic el seu model a principis del segle XIX. El seu model era una cosa tosc (els àtoms eren esferes irrompibles, totalment neutres i de massa variable segons l'element). No obstant això, la descripció dels àtoms es va anar fent cada vegada més precisa, segons es necessitava un esbós més exacte per explicar diferents fenòmens. Un segle després de Dalton ve Thomson, amb àtoms carregats positivament i electrons incrustats. Així s'introdueix la presència de càrregues en l'àtom. I a partir d'aquest punt va tenir lloc una ràpida successió de models, que es descartaven ràpidament a causa de l'aparició de nous descobriments. Després de Thomson ve Rutherford, que va notar que el nucli només constituïa una petitíssima part del volum de l'àtom (tot i contenir tota la seva massa) al bombardejar una fina làmina d'or amb nuclis d'heli. El seu model atòmic és potser el més reconeixible, ja que és la imatge que s'usa per representar l'àtom més sovint:



Però els models atòmics van seguir sorgint, explicant cada vegada millor com funciona l'àtom. Atès que el model de Rutherford tenia algun error (no era viable, ja que els electrons es precipitarien cap al nucli, radiant energia de totes les longituds d'ona fins col·lapsar), Bohr va proposar el seu model, en el qual els electrons girarien en òrbites circulars d'energia quantitzada. Però es va descobrir que els electrons del mateix nivell energètic podien tenir nivells d'energia lleugerament diferents, de manera que Sommerfeld va fer alguns canvis, i va suggerir que podria haver-hi òrbites el·líptiques amb nivells d'energia diferents. Schrödinger (més conegut pel seu gat que pels seus altres treballs) va elaborar un altre model que tenia una peculiaritat. En el model atòmic de Schrödinger, els electrons no giren en òrbites. En canvi, se'ls assigna unes zones de l'espai en què la probabilitat de trobar-los és màxima, anomenades orbitals. En els llibres de química solen aparèixer dibuixats així:

És important apuntar alguna cosa: els orbitals no tenen aquesta forma. Els orbitals no són una cosa que tingui forma. Són funcions matemàtiques simplement, que indiquen una zona de l'espai on és probable trobar un electró. En el cas de l'esquerra, l'orbital esfèric (anomenat orbital s ) indica que hi ha una certa probabilitat de trobar electrons en la zona de l'espai continguda dins d'aquesta esfera. És impossible trobar electrons fora d'aquesta zona? No, és possible, però improbable.
Per entendre la rellevància dels orbitals atòmics hem d'avançar fins a l'any 2010, a l'Institut de Física i Tecnologia de Kharkov, a Ucraïna. L'investigador Igor Mikhailovskij va ser capaç, al costat dels seus col·laboradors, d'obtenir la imatge d'un àtom. Per a això, van millorar una antiga tecnologia anomenada microscòpia d'emissió de camp. Aquesta tècnica funciona aplicant un camp elèctric de milers de volts entre l'objecte que volem observar (per exemple, una cadena de carboni) i una pantalla de detecció. Els electrons aniran saltant d'un en un fins a la pantalla, fins que no quedi cap en la cadena de carboni. És raonable pensar que a les zones amb més electrons obtindrem una imatge més definida, ja que seran més els que saltin a la pantalla. Això és el que va passar. Les imatges obtingudes van ser les següents:

La teoria prediu que en els àtoms de carboni dels electrons s'ordenen de manera que els quatre últims estan en dos tipus d'orbitals diferents. Aquests orbitals són del tipus si p. La representació de les funcions matemàtiques que els defineix té aquest aspecte:

Es veu perfectament que la imatge obtinguda mitjançant microscòpia d'emissió de camp es correspon perfectament amb les prediccions. Recapitulant ràpidament, el que es veu a la imatge obtinguda són les zones a les que van saltar més electrons a causa de la diferència de potencial. El que es veu a sota és una predicció de les zona de l'espai en què hi ha d'haver més electrons.
Sembla que a hores d'ara queda poca gent que s'atreveixi a negar l'existència dels àtoms. A dia d'avui podem fer prediccions bastant bones, no només de com es comporten els àtoms, sinó del que passa dins (si és que podem anomenar-lo així) d'aquests.

Una bona manera d'acabar, una mica més relaxats, és deixar aquí un curt: A Boy And His Atom. És el curt més petit del món: el personatge està fet de molècules individuals de monòxid de carboni.





Font: Naukas