Eredu atomikoaren eboluzioa

Esther Udabe, Ane Olazagoitia, Maite Eceiza eta Andoni Perez

Zer litzateke eraikin bat zementu edo adreilu gabe? Edo zer litzateke tortila bat arrautzarik gabe? Bada, zientzia munduan gauza bera gertatzen da, hau da, atomorik gabe, oinarririk gabe, gainerakoa ezingo litzatekeela aztertu. Horrexegatik, zientzialariak oinarri hori nolakoa zen aztertzeari ekin zioten.

Irudia: eredu atomiko nagusien eboluzio historioa

Zer gertatuko zen materia atal askotan zatituko bagenu? Antzinako greziar filosofoek asko eztabaidatu zuten gai honen inguruan. K.a. V. mendean, Leuzipok uste zuen materia atal askotan zatitzean, atal banagaitz batekin aurkituko zirela. Azken atal honi, atomo izena ezarri zion Demokritok. Horrela teoria atomista sortu zen.

Baina K.a. IV. mendean, Aristotelesek teoria atomista baztertu zuen. Filosofoaren ustez, edozein atal, banagarria izaten jarraitzen zuen (atomoak ez ziren existitzen). Gainera, materia oinarrizko lau elementuekin osatzen zela zioen (ura, airea, sua eta lurra). Teoria honi jarraitzailea deritzo. Aristotelesek zuen botere eta indarrarengatik bere teoriak 2000 urtez baino gehiago iraun zuen. 1808. urtean ordea, John Daltonek, esperientzia zientifikoetan baliatuz, Leucipo eta Democritoren ideiak berreskuratu zituen (materia atomoz osatua zegoela). Frogatu zuen, elementu berdineko atomoak (sortzen eta desagertzen ez direnak) beraien artean berdinak zirela eta beste elementuekiko ezberdinak. Horregatik elementu ezagun bakoitzarentzat ikur kimiko ezberdinak asmatu zituen, gaur egungo sinbolo kimikoen oinarri izanda.


Hurrengo pausoa, elektroiaren aurkikuntzarekin eman zen. John Thomson (1856-1940) konturatu zen gas bati deskarga elektriko bat aplikatzean, gasak izpi batzuk askatzen zituela. Gertakari honetan oinarriturik, esperimentu batzuk egin zituen elektrizitatea eta gasaren arteko erlazioa aztertzeko. Thomsonek muntaia bat prestatu zuen polo positibo batekin eta polo negatibo batekin eta bi imanekin. Gasari deskarga bat aplikatu eta imanen eraginpean bakarrik pasaraztean izpiak desbideratu egiten zirela konturatu zen. Ondoren, gasari deskarga bat aplikatu eta poloen eraginpean pasarazi zituen, eta izpiak plaka positiborantz desbideratzen zirela konturatu zen. Izpia tren batekin konparatu daiteke. Motorra piztean (gasari deskarga ematean) martxan jartzen da. Beti norantza berdinean doa, baina palankaren egoeraren arabera norabide desberdina izango du eta desbideratu egingo da Esperimentu honen ondorioz, izpiak karga negatiboa zutenaren eta karga eta izpia banaezinak zirenaren susmoa izan zuen.

Bi desbiderazioekin kalkuluak egiten, karga eta izpia osatzen zuten partikulen masaren arteko erlazioa lortu zuen. Erlazioa oso handia zen masa oso txikia zelako. Hain zuzen ere, partikula misteriotsu hauen masa, ordu arte ezagutzen ziren atomoena baino askoz txikiagoa zen. Esperimentua gas ezberdinekin egin arren, balio berdinak lortzen zituen. Aurkikuntza honi azalpen bat eman nahian, hipotesi iraultzaile bat proposatu zuen: atomoak banagarriak zirela esan zuen. Eta hori gutxi balitz, atomo guztiek negatiboki kargatutako partikula bat komunean zutela esan zuen. Partikula hau “elektroi” izenez bataiatu zuen. Eredu berri hau mahaspasa pastel ingelesarekin konparagarria da, non pastelaren gorputza positiboki kargatutako zatia den eta mahaspasak elektroiak diren. 

Rutherfordek bere aurrekoek egin zuten ikerkuntza behatu ondoren, ikertzeari ekin zion. Horretarako, esperimentu bat egin zuen, non, izpi batzuk bidali zituen xafla batetara eta ohartu zen bertan talka egitean partikula batzuk desbideratu egiten zirela, beste batzuk, errebotatu egiten zutela eta beste batzuk berriz, zuzen irteten zirela. Efektu berbera gertatzen da bilarrean. Bola bati erdian jotzen badiozu zuzen irtengo da, baina, bolaren erdian ez badiozu ematen desbideratu egiten da. Hau guztia ikusirik, Rutherford konklusio batzuetara iritsi zen, hots, atomoaren masa gehiengoa erdian zegoela metatua eta karga positiboa zuela eta inguruan aldiz partikula txikiagoak zeudela, elektroiak deritzenak.

Rutherforden (eta beste batzuen) teorietan oinarriturik, Bohrek 1913an bere modelo atomikoa argitaratu zuen. Bertan, orbita kuantifikatuen teoria sartu zuen, non nukleo atomikoaren inguruan elektroien kopurua handitzen den barnealdetik kanpoaldera. Bere eredua azaltzeko, hidrogeno atomoak nukleoan protoi bat (karga positiboarekin) eta inguruan elektroiak (karga negatibodunak) biratzen daudela azaldu zuen, sistema planetarioan oinarritutako eredutik abiatuz.

Eredu honetan elektroiek nukleoaren inguruan biratzen dute orbita zirkularretan, energia minimoko orbitak, edo nukleotik hurbilen daudenak, betez. Teoria klasikoak esaten du modu zirkularrean mugitzen den partikula kargadun batek energia emititzen duela, beraz, elektroiak energia galduko luke eta nukleoarengan kolapsatuko litzateke. Baina argi dago hau ez dela betetzen, bestela atomoak ez lirateke existituko eta, ondorioz, ezagutzen dugun guztia ez litzateke egiazkoa izango.

Beraz, ezagutzen dugun guztia ez da egia ala elektroien mugimendua azaltzeko beste modu bat dago. Arazo hau gainditzeko, Bohr-ek honako suposizioa egin zuen: elektroiak soilik orbita berezi batzuetan mugi daitezke, bakoitzak energia maila desberdina izanik. Orbita bakoitza n zenbaki osoarekin identifikatu daiteke eta n=1,2,3… balioak izan ditzake. Hau hobeto ulertzeko hidrogeno atomoko elektroia gu garela suposatuko dugu eta eraikin bateko igogailuan sartuko gara. Igogailuan gaudenean daukagun aukera posible bakarra pisu batean edo bestean egotea da (lehengoan, bigarrenean, hirugarrenean…), inor ez da gelditzen hirugarren eta laugarren pisuen artean…

Gainera, orbita bakoitzak elektroiak dauzka jasotako energia maila desberdinekin. Orbiten energia nukleotik dauden distantziaren araberakoa da, energia baxuena n=1 orbita izanik. Horrek esan nahi du elektroia egonkorren modu horretan egongo dela, hau da, kuantizatuak daude. Eraikinera itzuliz, nukleoa kalearen maila bada, gehienok erosoago gaude lehenengo pisuan eta ez New Yorkeko etxe orratz bateko 50. pisuan!

Bohren ereduak hidrogeno atomoaren absortzio eta emisio espektroak bakarrik azaltzen ahal zituen. Beste atomo guztien kasuan, kale egiten zuen. Hortaz, ez modelo hau ez da gaur egun atomoaren egitura azaltzeko erabiltzen den eredua. Dena den, historikoki, Bohr-en eredu atomikoaren garapenak eta materiaren uhin-partikula dualtasunak Erwin Schrödingerri mekanika kuantikoaren oinarrizko ekuazioa aurkitzea ahalbidetu zion, eta honela, atomoaren eredu kuantikoa gauzatu zen. Eredu honek, hidrogenoaz gain, beste atomoen egitura azaltzea ahalbidetzen zuen. Schrödingerren eredu kuantikoan sakontzeko, parrafo honetan aipatutako estekak bisitatzen ahal dituzue. Gu, bukatzeko, Bohr eta Schrodingerren ereduen arteko desberdintasunak azaltzen dituen bideo labur batekin agurtzen gara.

________________________________________________________

Egileak: Esther Udabe, Ane Olazagoitia, Maite Eceiza eta Andoni Perez UPV/EHUko Kimika Fakultateko ikasleak dira. Kimika Fisikoa II irakasgaian egindako lana.
________________________________________________________

Sarrera honek #KulturaZientifikoa 1. Jaialdian parte hartzen du.



Descargo de responsabilidad: He utilizado las imágenes sin ánimo de lucro, con un objetivo de investigación y estudio, en el marco del principio de uso razonable - sin embargo, estoy dispuesto a retirarlas en caso de cualquier infracción de las leyes de copyright.Disclaimer: I have used the images in a non for profit, scholarly interest, under the fair use principle - however, I am willing to remove them if there is any infringement of copyright laws.