Escrit per: Albert dissabte, 12 d’octubre de 2013

Aquest 2013 es celebra 100 anys des de la publicació de l’estructura del model atòmic de Bohr recollit en l’article “On the Constitution of Atoms and Molecules” publicat a la revista Philosophical Magazine el 1913. Un article que ha estat molt important i que neix paral·lel a la física quàntica, concretament a la mecànica quàntica.


L’autor d’aquest revolucionant article va ser Niels Bohr, físic d’origen danés nascut el 1885. Va estudiar física al a  Universitat de Copenhaguen on en aquella època només hi havia un sol físic com a professor,Christian Cristiansen escollit com a membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències el 1902.

Niels Bohr
Bohr va ser contemporani d’altres grans científics com  J. J. Thomson,  el qual no va aconseguir impressionar en un inici, i el seu deixeble Ernst Rutherford, del que va esdevenir-ne deixeble i  va establir una bona relació.

Però, què és allò tant important i revolucionari que contenia l’article que va publicar el 1913?
Repassem quins models es van anar proposant  des de 1904 fins 1913.

  1. Model de Thomson: Representa l’àtom com una esfera positiva carregada amb partícules negatives incrustades. (Thomson va ser el descobridor dels electrons el 1897).
  2. Model de RutherfordA partir del  famós experiment de bombardejar una làmina d’or amb partícules alfa, Rutherford va saber interpretar que l’àtom està “ple” de buits! Proposa que els electrons orbiten al voltant  del nucli positiu. D’aquesta manera  va desacreditar el model atòmic el seu mestre Thomson.

Però Bohr es va adonar que els electrons orbitaven a unes distàncies concretes del nucli atòmic i no en qualsevol distància. El model atòmic que va proposar Bohr explica que el moviment que descriuen els electrons (càrrega negativa) eren provocats per l’atracció de nucli (positiu), però per evitar que els electrons caiguin al nucli, aquests orbiten amb una velocitat que compensa la seva atracció elèctrica, de manera semblant a com passa en el Sistema Solar amb els planetes atrets per la força gravitatòria del Sol. Això implicava una gran deducció: l’energia que tenien els àtoms no és qualsevol, és quantitzada. Bohr va poder explicar les línies de l'espectre de l'àtom d'hidrogen, associant cada línia espectral a un nivell energètic.
Això va portar a lloc a la següent descripció sobre l’organització de les òrbites (o nivells energètics) que poden adoptar els electrons en un àtom:

Model atòmic de Bohr amb
els electrons movent-se en òrbites
circulars al voltant del nucli.
      Primer nivell (el més proper al nucli): 
      Hi pot haver fins a 2 electrons.
      Segon nivell Hi pot haver fins a 8 electrons.
      Tercer nivell: Hi pot haver fins a 18 electrons.
      Quart nivell: Hi pot haver fins a 32 electrons.

Aquest model atòmic també explica que els electrons en la seva òrbita o nivell energètic no radien energia, sinó que només s’emet energia quan un electró es localitza en un nivell energètic superior i vol retornar al seu estat fonamental, on l'energia emesa s'anomena fotó.

Posteriorment Edwin Schrödinger establirà el model del núvol electrònic, on re-defineix els orbitals de Bohr com a una regió en l’espai en què hi ha una probabilitat elevada de trobar un electró, i també estableix subnivells energètics i diferents tipus d’òrbita que permeten explicar les línies espectrals no sols de l'hidrogen, sinó d'altres àtoms polielectrònics; però és gràcies a la quantització d’energia descrita per Bohr el que va permetre obrir les portes al món de la mecànica quàntica.

Al 1922 Bohr va rebre el premi Nobel de Física pels seus treballs sobre l’estructura de l’àtom i la seva radiació, que va permetre concloure un comportament dual de la llum que es  comportava com una ona o com una partícula  en determinades condicions.
Bohr ja havia fundat l’any 1920 un Institut de Física Teòrica  a Copenhaguen (actualment anomenat Institut Niels Bohr), que va dirigir fins la seva mort el 1962).

Anècdotes i curiositats

  • - Niels Bohr era el fill gran d’una família de dos germans i una germana. El més famós dels fills era el germà petit Harald Bohr que era un matemàtic important i també un jugador de futbol que havia esdevingut olímpic amb la selecció danesa. Harald, tot i ser el germà petit, es va graduar en matemàtiques 9 mesos abans que el seu germà Niels ho fés en física.

  • - Niels Bohr va preveure l’existència d’un nou element de la taula periòdica, el Hafnium (Hf) que és el nom originari en llatí de Copenhague (ciutat on va viure-hi).

  • - L’element Bohrium (Bh) té aquest nom en homenatge Niels Bohr, tot i que aquest element no va ser descobert fins el 1981. En primera instancia es va proposar el nom de Nielsbohorium, però finalment es va queda en Bohrium.

  • - Quan Einstein va dir (sobre la física quàntica): - Déu no juga als daus amb l’Univers. Bohr li va respondre: - Deixa de dir-li a Déu com ha de construir l’Univers.


  • - Rutherford va explicar la següent famosa i molt curiosa anècdota sobre Bohr: 
" Fa un temps vaig rebre una trucada d'un amic que em va demanar consell sobre la resposta d'un problema d'examen de física d'un alumne seu, el qual estava apunt de suspendre amb un zero però l'alumne afirmava que la seva resposta era correcta, i per això em van preguntar a mi que arbitres de manera imparcial la resposta que va donar a la pregunta: " Demostri com és possible determinar l'alçada d'un edifici amb l'ajuda d'un baròmetre".

L'alumne havia respost: " Porti el baròmetre al terrat de l'edifici, lligui-li una corda molt llarga; despengi-la fins la base de l'edifici, faci una marca i mesuri la llargada de la corda, ja que la longitud de corda és igual a l'alçada de l'edifici".

Però aquesta resposta plantejava un problema malgrat ser correcta i completa. Si se li concedia la màxima puntuació, podia obtenir una nota mitjana més alta en els seus estudis, i d'aquesta manera, certificar el seu alt nivell en física, però la resposta no confirmava que l'estudiant fos mereixedor d'aquell nivell. Vaig suggerir que es donés una altra oportunitat a l'alumne. Li vaig donar 6 minuts perquè respongués la mateixa pregunta, però amb l'advertència que en la seva resposta havia de demostrar els seus coneixements en física.

Van passar 5 minuts i l'estudiant encara no havia escrit res. Li vaig preguntar si desitjava anar-se'n però em va respondre que tenia moltes respostes al problema. La seva dificultat era escollir la millor de totes les respostes. Em vaig excusar per interrompre'l i li vaig demanar que continués. En el minut que li quedava va escriure: "Agafi el baròmetre i llenci'l a terra des del terrat de l'edifici, calculi el temps de caiguda amb un cronòmetre i seguidament apliqui la fórmula h(alçada)= 0,5·g·t^2, i així obtenim l'alçada de l'edifici". En aquell moment vaig consultar amb el meu company si l'alumne podia marxar, va respondre afirmativament i li va concedir la nota més alta.
Després de sortir del despatx amb l'estudiant, li vaig demanar que m'expliques les altres respostes que tenia a la pregunta. Ell va respondre que hi havia moltes maneres de respondre: "Per exemple podem agafar el baròmetre en un dia assolellat i mesurar l'alçada del baròmetre i la longitud de la seva ombra; si a continuació mesurem la longitud de l'ombra de l'edifici i apliquem una regla de proporció, obtindrem l'alçada de l'edifici".

Li vaig demanar si em podia dir una altra manera, em va respondre que n'hi havia una de molt senzilla i directe: "Si ens situem a la planta baixa de l'edifici amb el baròmetre i a mesura que anem pujant per les escales anem fent una marca de l'alçada del baròmetre, al arribar al terrat podem contar el total de marques fetes; el resultat de multiplicar totes les marques fetes per l'alçada del baròmetre és l'alçada de l'edifici".

L'estudiant va continuar: " Aquest és un mètode molt directe, però si prefereix un procediment més sofisticat, pot lligar el baròmetre a una corda i moure'l com si fos un pèndul. Si calculem que quan el baròmetre està just a l'alçada del terrat la força de la gravetat s'anul·la i tenim en compte la mesura de l'acceleració gravitatòria quan el baròmetre baixa seguint una trajectòria circular i passant perpendicular a l'edifici, la diferència entre aquests valors i aplicant senzilles funcions trigonomètriques ens permet calcular sens dubte l'alçada de l'edifici.

L'alumne va concloure " ja veu, existeixen moltes maneres, però probablement el millor sigui colpejar la porta de la casa del conserge i quan obri dir-li : - Senyor conserge, aquí tinc un baròmetre molt bonic, si em diu l'alçada de l'edifici li regalo".
Finalment li vaig preguntar si no coneixia quina era la resposta convencional al problema (la diferència de pressió que marca el baròmetre entre la planta baixa i el terrat és proporcional a la diferència d'alçada). Ell va respondre que sí, que la coneixia, però que durant els seus estudis, els seus professors li havien intentat ensenyar a pensar. 
 Aquest estudiant era Niels Bohr.
Congrés de Solvay de l'any 1927: Importants científics de l'època es reunien per compartir coneixements i aconseguir grans avenços en mecànica quàntica.

{ 4 comentarios ... llegeix-los a sota o afegeix-ne un }

  1. Simple, entenedor i complet. Bon article.

    ResponElimina
    Respostes
    1. Relacionat amb Böhr, entreu en el google i poseu: utilitzar el baròmetre per a calcular l'alçada d'un edifici i trobareu una anècdota-llegenda prou divertida

      Elimina
    2. Tens raó! Un cop em van explicar aquesta història, gràcies per l'observació, la inclourem a l'entrada!

      Elimina

Entrada a l'atzar

Què diuen al Twitter?

Cocociència al teu mail!

Traductor

- Copyright © CocoCiència - Powered by Blogger and Metrominimalist -