Publicitat
Publicitat

L'àtom celebra l'aniversari del seu 'retrat' més universal

El físic Niels Bohr va concebre fa cent anys com es regeix l'àtom en una estructura igual que la d'un sistema planetari. Va publicar una sèrie d'articles que sintetitzaven aportacions seves i d'altres

El juliol del 1913 el físic danès Niels Bohr va publicar el primer de tres articles científics fonamentals per entendre l'estructura de l'àtom. Com si es tractés d'un Univers en miniatura, com si fossin petits planetes, els electrons giren entorn a un nucli amb protons i neutrons. En el seu model i els tres postulats que l'acompanyen, Bohr, que aleshores tenia 28 anys, incorpora les idees d'Albert Einstein i parteix conceptualment del model de Rutherford. Aquesta simplificació de l'estructura de la matèria, malgrat que la física ha avançat molt, continua vigent com a visualització del món més petit, que sovint també s'escapa del seu mateix ordre.

En aquells temps, Bohr ja havia fet la seva tesi doctoral sobre la teoria de l'electró dels metalls i havia viatjat al Regne Unit, a la Universitat de Cambridge, com a becari postdoctoral amb Joseph John Thomson, descobridor de l'electró i premi Nobel de física el 1906. No obstant, Thomson no va atendre gaire aquest jove investigador: havia gosat criticar algunes de les seves idees.

El 1912 l'investigador danès se'n va anar a la Universitat de Manchester, una altra de les Meques de la física de l'època, a treballar sobre radioactivitat al laboratori d'Ernest Rutherford, que acabava de descobrir el nucli atòmic estudiant les partícules radioactives alfa, beta i gamma (que ell mateix havia definit). Era la llavor del petit univers atòmic. El jove Bohr va ser capaç d'adaptar el model de Rutherford a la teoria de Max Plank i va estudiar l'estabilitat d'aquesta estructura planetària. Robert Oppenheimer, considerat el pare de la bomba atòmica, també va estudiar amb Rutherford. De fet, després de la Segona Guerra Mundial Bohr també va acabar donant suport al desenvolupament angloamericà de bombes atòmiques i va col·laborar amb el projecte Manhattan, a Los Alamos, Nou Mèxic.

La trilogia de Bohr

Els tres articles científics de Bohr es van publicar entre el juliol i el novembre del 1913, en una revista londinenca anomenada Philosophical Magazine . La seva contribució més important és en el primer dels articles, en què a partir de l'estudi de l'àtom de l'hidrogen va explicar com està constituïda la matèria.

Aquest petit univers es regiria per tres postulats bàsics. Entre les seves aportacions hi ha que el nombre d'electrons a cada òrbita -girant al voltant d'un nucli amb càrrega positiva- augmenta des de l'interior cap a l'exterior. Els electrons poden caure d'una òrbita exterior a una d'interior emetent un fotó d'energia discreta. Bohr assentava així les bases de la mecànica quàntica.

Després de cent anys

Actualment, l'estructura de l'àtom de Bohr continua formant part de les lliçons bàsiques de física. Avui, però, s'ha superat de lluny encara que els àtoms i, en particular, els electrons continuen guardant molts misteris. A la revista Nature , que dedica aquesta setmana un especial a l'aniversari, Frank Wilczek, premi Nobel de física, afirma que "cent anys després la nostra percepció de l'electró encara continua expandint-se [...], els electrons són al mateix temps idealment simples i inimaginablement complexos". Són com les grans pedres angulars de la física, que avui "s'està aprenent a transformar i fragmentar", diu.

La massa i la càrrega elèctrica de l'àtom formen l'equació que explica el seu comportament. Sobre aquest model es va construir la microelectrònica i és la base d'altres disciplines com la química i la bioquímica. Ara bé, a altes energies les regles del joc canvien del tot. És el que es fa en els acceleradors de partícules, com el del CERN. Quan col·lideixen, produeixen tot un repertori de partícules: quarks, gluons, muons, leptons, fotons i neutrins. I el seu estudi és determinant per entendre del tot la natura de l'electró. "Es tracta d'una sola partícula, però conté el món sencer", afirma Wilczek.

Àtoms extrems

Els científics busquen els límits de l'àtom deformant-lo de diferents maneres. Fins i tot, miren com es pot destruir, fent trontollar la idea que la matèria es transforma, però no es destrueix. Una manera és disparar-li amb una de les eines de raigs X més potent del planeta, al Laboratori d'Acceleració Nacional, SLAC, a Menlo Park, als Estats Units. Un únic impuls empaqueta una quantitat d'energia equivalent a la de tota la radiació solar que rep la Terra en el mateix moment. Aquest experiment s'ha fet amb àtoms de neó. Els científics van fer-los explotar, traient a cada un els seus 10 electrons en tan sols 100 femtosegons (10-15 segons), observant que els primers a desaparèixer eren els més propers al nucli. El repte consisteix a buidar l'àtom dels electrons que es desitgin. Aquest tipus de làser podria tenir diferents aplicacions, com ara manipular molècules d'ADN.

Els científics també han creat àtoms gegants. Des de la perspectiva del nucli, els electrons són acompanyants molt llunyans. En el cas dels àtoms de Rydberg, per les seves propietats quàntiques, els seus electrons estan encara més distants. Aquests àtoms gegants fa temps que s'estudien i resulten interessants per als nanotecnòlegs, ja que són molt sensibles als efectes magnètics. Aquesta propietat s'està utilitzant en el disseny dels ordinadors quàntics.

Al CERN s'ha aconseguit també crear antiàtoms per estudiar l'antimatèria. El 1995 es va aconseguir el primer àtom d'antihidrogen. Està format per un antiprotó i un positró, amb la mateixa massa que els seus equivalents, però amb una càrrega oposada. Amb aquests experiments, els científics esperen conèixer millor el Big Bang, ja que es creu que en l'origen de l'Univers hi havia la mateixa quantitat de matèria que d'antimatèria.

N'hi ha que han manipulat els protons i els neutrons per aconseguir elements superpesants. Investigadors del Centre for Heavy Ion Research,a Darmstadt, Alemanya, han intentat que dos àtoms es fusionessin per crear un element amb 119 protons, amb el qual, si més no, aconseguirien un rècord mundial. Els científics fa anys que treballen per crear grans aglomeracions de protons i neutrons per expandir així la taula periòdica més enllà dels elements que es coneixen a la natura. El màxim de protons que han aconseguit és 116. De neutrons, 177.

PUBLICITAT
PUBLICITAT
PUBLICITAT

EDICIÓ PAPER 10/12/2017

Consultar aquesta edició en PDF