Apèndix capítol 3

Constant de Planck: Aquesta constant física se simbolitza amb la lletra h, i va ser postulada per Planck l’any 1900 per intentar explicar teòricament la radiació del cos negre. La constant posava de manifest la quantització de l’univers quàntic en contraposició a la creença clàssica que el nostre món és continu. La constant de Planck és tan diminuta (h= 6,626 × 10^-34 J · s), que en la nostra realitat macroscòpica és imperceptible, i no podem apreciar aquests petits «paquets indivisibles d’energia».

Cos negre: És un objecte teòric que absorbeix tota la radiació que incideix sobre ell. Va ser introduït per Kirchhoff l’any 1862.

Força electromagnètica: Aquesta força fonamental és el resultat de la unificació de la força elèctrica i la magnètica. És l’encarregada de mantenir units àtoms i molècules. És, a més, la responsable de l’electricitat i el magnetisme, la base de la llum, els raigs X, les microones i les ones de ràdio. Els fotons són els bosons mesuradors d’aquesta força.

Força gravitatòria: Força fonamental que descriu com les masses s’atrauen entre elles. Gràcies a la força de la gravetat tenim la sensació de pes quan estem en un planeta. També és gràcies a ella que ens mantenim «atrapats» a la Terra, i també explica per què els planetes giren al voltant del Sol. Isaac Newton va ser el primer que va formular la teoria general de la gravitació i la va exposar en l’obra Philosophiae naturalis principia mathematica.

Força nuclear forta: És la responsable que el quarks estiguin units dintre dels protons i els neutrons i, indirectament, la responsable que els nuclis atòmics es mantinguin units. Els bosons mediadors d’aquesta força són els gluons.

Força nuclear feble: És la que permet la transmutació d’unes partícules en altres. Gràcies a aquesta interacció, per exemple, un neutró pot decaure en un protó i emetre radiació. Els bosons mediadors d’aquesta força són els W i Z.

Quark: Els quarks són, juntament amb els leptons, les partícules que construeixen tota la matèria. De moment, són les partícules més petites que ha descobert l’ésser humà. Hi ha sis tipus de quarks que corresponen a tres generacions o famílies. La primera família són els quarks Up i Down. La segona, Charm i Strange. I la tercera família, Top i Bottom. Cada quark té el seu antiquark corresponent. Els neutrons estan compostos per un quark Up i dos quarks Down, mentre que els protons els formen dos quarks Up i un quark Down. Els quarks van ser pronosticats per Murray Gell-Mann l’any 1964, abans de guanyar el premi Nobel de Física el 1969 pels seus descobriments sobre partícules elementals. Els quarks van ser detectats en els experiments de l’accelerador de partícules lineal SLAC, entre 1967 i 1973.

Buit quàntic: En el món quàntic, el buit no és com l’imaginaríem quan diem que una capsa de galetes és buida (per molta gana que tinguem, no surten galetes del no-res). En el món quàntic, el buit conté partícules que apareixen i desapareixen molt de pressa (tan de pressa que, encara que veiessis que apareixen unes galetes a la capsa, per desgràcia no tindries temps de poder-les agafar).

Radiació del cos negre i catàstrofe ultraviolada: La llum visible només és un cas particular de les ones electromagnètiques. Els nostres ulls disposen d’uns pigments fotosensibles que capten un ventall de radiació electromagnètica, que va del color violeta al vermell.

Els diferents colors corresponen a diferents longituds d’ona. La radiació de 450 nm els —els nm són nanòmetres, una milionèsima part d’un metre— correspon al color violeta, mentre que la de 700 nm correspon al vermell.

La resta d’ones electromagnètiques, tant les que tenen longituds d’ona superiors al vermell (les ones de ràdio, microones i infraroges) com les de menor longitud d’ona (les ultraviolades, els raigs X i els gamma), ens resulten invisibles a la vista. Quan aixequem la mirada cap al cel a la nit, podem veure que les estrelles tenen colors lleugerament diferents, unes són més blavoses, mentre que d’altres s’acosten més al vermell. Les primeres tenen temperatures més altes que les segones. Com s’estableix aquesta relació entre el color i l’escalfor de les estrelles?

Els cossos calents emeten radiació electromagnètica. Per tant, hi ha una relació entre la temperatura i la longitud d’ona de la radiació que emetran. Com més petita es la longitud d’ona de radiació, més gran és la temperatura. Les estrelles més blavoses emeten una radiació de longitud d’ona més petita que les vermelloses, i per tant tindran una temperatura superior.

El nostre Sol té una temperatura superficial d’uns 6.000ºC, i majoritàriament emet radiació a uns 500 nm. No és casualitat que els nostres ulls tinguin un rang de llum visible que s’aproxima precisament a aquestes longituds d’ona. Els pigments dels vegetals i la resta d’éssers vius del nostre planeta també tenen relació amb la radiació procedent de la nostra estrella. Si les lleis de la física canviessin de cop i volta i el Sol es refredés fins a la meitat, començaria a radiar al doble de la longitud d’ona. No podríem veure res, i les plantes no podrien absorbir la seva radiació per mantenir-se vives. La nostra evolució a la Terra està íntimament lligada a les regles de la física quàntica.

Els físics del segle XIX, amb les lleis de Maxwell sota el braç, van decidir donar una explicació teòrica a aquesta relació i van estudiar la radiació del cos negre, que absorbeix i emet tota la radiació.

Però aquests estudis conduïen a l’anomenada catàstrofe ultraviolada. Segons aquesta teoria, com més petites eren les longituds d’ona d’emissió, més alta era l’energia que irradien els cossos. Aquest resultat es contradeia amb qualsevol experiència quotidiana. Si era cert, ni tan sols podríem mirar com cremen unes brases sense socarrimar-nos a l’instant per la quantitat d’energia emesa per una cosa tan inofensiva. Aquesta catàstrofe ultraviolada plantejava un problema greu. La física coneguda fins aleshores no donava resposta a una situació aparentment senzilla. Vam haver d’esperar que arribés Max Planck i fes el seu «acte de desesperació» en introduir a l’explicació de la radiació electromagnètica els paquets o quàntums d’energia.

MODELS ATÒMICS

Ha plogut molt des que Demòcrit, Leucip i Epicur van introduir l’àtom, aleshores com a concepte filosòfic, en els segles V i IV aC. El terme àtom, en grec, significa allò que no es pot dividir. Per als pensadors de l’antiguitat, l’àtom era l’element últim i indivisible que forma totes les coses.

Vegem com ha evolucionat la nostra idea de l’àtom al llarg del temps:

Model atòmic de Dalton: la recerca de l’última partícula

Per primera vegada es proposava amb una base científica l’existència de l’àtom com a partícula última i indivisible.

John Dalton, l’any 1808, va proposar l’existència d’unes minúscules partícules esfèriques, indivisibles i indestructibles, que havien de ser iguals en tots els elements químics.

Model atòmic de Thomson: el púding de panses

L’any 1897, Joseph John Thomson va descobrir l’electró, una partícula de càrrega negativa que havia d’estar dins de l’àtom. Els científics van teoritzar que l’àtom, que fins aleshores es considerava indivisible, era compost per una part positiva i una altra de negativa. En aquest nou model, Thomson va proposar que els electrons, de càrrega negativa, es distribueixen en un àtom positiu com si fos un pastís de panses.

Model atòmic de Rutherford: el buit agafa protagonisme

Ernest Rutherford va realitzar, l’any 1911, un experiment que va demostrar una cosa que, a dia d’avui, em continua semblant fascinant: l’àtom està pràcticament buit.

Després de bombardejar una làmina d’or amb partícules alfa (nuclis atòmics sense els seus electrons, formats per dos protons i dos neutrons), Rutherford va comprovar que només un petit nombre de partícules es desviaven dràsticament en topar contra la làmina, mentre que la resta travessaven la làmina gairebé sense desviar-se.

Aquell resultat era, segons el model del púding de panses, senzillament impossible, per la qual cosa va arribar a la conclusió que els àtoms havien d’estar pràcticament buits.

El model de Rutherford estava format per dues parts: el nucli i l’escorça.

En el nucli, que és la part central i molt petita de l’àtom i és de càrrega positiva, es troba concentrada gairebé tota la massa. En canvi, l’escorça és un espai immens, en comparació amb la dimensió del nucli, i s’hi troben els electrons negatius de massa diminuta.

En el model de Rutherford, els electrons orbiten al voltant del nucli com si fossin petits sistemes solars.

Model atòmic de Bohr: la quantització de l’àtom

L’any 1913, Niels Bohr va unir el model atòmic de Rutherford a una branca de la ciència que acabava de néixer: la física quàntica.

El model de Rutherford contenia un gran enigma. Els electrons donaven voltes circulars al voltant de l’àtom d’una manera semblant a la dels planetes quan orbiten al voltant del Sol. Però una de les grans diferències entre els planetes i els electrons és que aquests darrers tenen càrrega elèctrica. Aquesta «subtilesa» marcava la gran diferència: les càrregues en moviment radien i per tant perden energia. Si els electrons perdien energia en els viatges al voltant del nucli, per força acabarien col·lapsant, caient en espiral sense remei fins a estavellar-se contra el nucli atòmic.

Bohr va aconseguir explicar l’estabilitat de les òrbites electròniques gràcies a la quantització de l’energia que Planck havia postulat uns anys enrere. En aquest nou model, Bohr va suposar que els electrons només tenien permès moure’s en òrbites específiques i caracteritzades pel seu nivell energètic. A aquestes òrbites estables es podia assignar un número sencer n (de l’1, 2, 3, en endavant), que seria batejat com a número quàntic principal. Els electrons podien «saltar», absorbint o emetent energia, d’una òrbita permesa a una altra, però no podien existir fora de les zones d’aquestes òrbites. La resta de l’espai buit els era prohibit.

Model atòmic de Sommerfield: el cercle esdevé el·lipse

Si Kepler va introduir les òrbites el·líptiques per als planetes, Sommerfield va perfeccionar el model atòmic de Bohr i va donar a conèixer que les òrbites electròniques podien passar de ser circulars a ser el·líptiques. La seva excentricitat, que determinarà la forma dels orbitals, dependrà del número quàntic anomenat azimutal 1, que tindrà valors des del 0 (òrbita circular) fins a l’1, 2, etcètera.

Sommerfield va introduir també correccions relativistes en la descripció del seu model, perquè va tenir en compte les altes velocitats (properes a la llum) a les quals es bellugaven les partícules subatòmiques.

Model atòmic de Schrödinger: la dansa de les ones

Ervin Schrödinger va transformar el concepte de les òrbites electròniques. Els electrons van deixar de ser partícules petites i van ser enteses com a ones, identificant els nivells energètics atòmics amb els seus modes de vibració. Més endavant, Max Born va interpretar les funcions d’ona de Schrödinger com la probabilitat que els electrons existeixin en determinades regions de l’àtom.

BIBLIOGRAFIA

Jou, David, Introducción al mundo cuántico: de la danza de las partículas a las semillas de galaxia, Pasado & Presente.

Navarro, Luis, Einstein: profeta y hereje, Tusquets Editores.

Rovira, Álex; Miralles, Francesc, La última respuesta, Plaza & Janés.