CAVALL FORT | Cavall Fort: 1107: Què són els electrons? [CAVALLFORT]

Què són els electrons?

Segurament tots els que heu començat a llegir aquesta plana de Cavall Fort heu pensat: “Ja ho sabem: són les partícules que, dotades d'electricitat de signe negatiu, corren pels conductors i ens proporcionen tota l'energia elèctrica que gastem”. Oi que sí? I potser, a més, hi haureu afegit: “Són també els corpuscles que rodegen el nucli de qualsevol àtom i en compensen l'electricitat positiva amb les seves càrregues negatives”. Molt bé! També és veritat, això.

Però mireu: encara no fa cent anys que tot el que acabeu de dir era desconegut. No va ser fins al 1911 que es va poder afirmar l'existència de l'electró mesurant la quantitat mínima d'electricitat que es pot obtenir. Us ho haig d'explicar. Però abans encara us vull repetir la pregunta: què són els electrons? Unes boletes molt petites? No podem pas pensar que només siguin això. Són molt més complicats. A més de la força que fan, poden transmetre "grànuls" d'energia que anomenem fotons, i si transcorren per un circuït helicoïdal (un solenoide) en fan un imant que té força per a atraure el ferro. Què hi ha en els electrons, perquè puguin fer accions així? Qui en pot donar una resposta satisfactòria?

Descobriment dels electrons

L'electricitat estàtica, amb la seva força atractiva, ja era coneguda des de molt antic. Fa més de vint-i-cinc segles Tales de Milet (aprox. 630-546 aC) ja l'havia observada en l'ambre (resina fòssil) que, si es frega, immediatament atreu petits objectes ("ambre" en grec es diu "électron", i precisament d'aquí ve "electricitat"). Però el corrent elèctric va trigar molt més a ser conegut. S'havia de "domesticar" l'espurna que salta entre dos cossos carregats amb electricitats de signe oposat. El primer a aconseguir ho va ser l'italià Alessandro Volta (1745-1827), que el 1800 va fer una "pila" elèctrica sobreposant repetidament coure, zinc, carbó (impregnat d'una solució salina), coure, zinc, carbó, coure... que feien una pila de debò. Unint amb un fil conductor el primer coure amb l'últim zinc, es va veure com hi passava una espurna elèctrica contínua durant una llarga estona. Això va causar sensació i fins i tot Napoleó el cridà a França perquè li'n fes una demostració.

La cosa es va perfeccionar aviat i la primera aplicació que s'hi va trobar va ser la de l'electròlisi. Fent passar el corrent en una dissolució de certes substàncies (aigua, sals...), se n'obtenia una descomposició: l'element metàl·lic anava cap a un costat (ànode) i la resta cap a l'altre (càtode). El primer a donar hi una explicació va ser el suec Svante Arrhenius (1859- 1927) el 1884: l'electricitat descompon les molècules en àtoms carregats d'electricitat (se'n diuen ions), de manera que, en la sal comuna, per exemple, el sodi es fa positiu i el clor negatiu i els pols elèctrics els separen. Això volia dir que en tots els àtoms hi ha electricitat (els electrons de l'embolcall, com sabem ara), però això aleshores encara no es veia clar (Rutherford encara no va trobar la constitució de l'àtom fins al 1911). Arrhenius va presentar la seva teoria com a tesi doctoral. Els del tribunal examinador no li van donar la raó. No ho veien possible i, al cap de quatre hores, el van aprovar amb la nota mínima pel treball que havia fet, no pas pel que hi deia. Però el temps va donar tota la raó a Arrhenius: el 1905 rebia el premi Nobel de Química per aquella tesi aprovada amb una qualificació tan escarransida.

Va ser el 1897 quan l'anglès Joseph John Thomson (1856-1940) demostrava que hi ha una quantitat mínima d'electricitat en una partícula realment existent, de massa molt més petita que la de l'àtom d'hidrogen (se la va anomenar electró) i que és un component de l'àtom, (el qual ja no és "àtom", és a dir indivisible). I el 1911 l'americà Robert Andrews Millikan (1868-1953) aconseguia mesurar amb gran exactitud aquesta càrrega elèctrica, és a dir la d'un sol electró, amb un mètode ingeniosíssim.

I així tothom va acceptar que el corrent elèctric és un flux d'electrons.

Com es troben els electrons en l'àtom

Avui sabem que, per exemple, l'urani ordinari té 92 protons en el nucli (a més de 146 neutrons). Com es distribueixen, els 92 electrons que en formen l'embolcall? Va ser l'anglès Charles Glover Barkla (1877 -1944), el primer a voler esbrinar la disposició dels electrons dins l'àtom. Va aplicar els raigs X a un gas el 1902 i va veure que eren dispersats en proporció al nombre de càrregues que posseïa el gas, i el 1906 va poder afirmar que cada element els dispersava produint una radiació característica amb dos tipus de raigs X que anomenà K i L, d'intensitat diferent. Després Henry Moseley (1887-1915) va estudiar la longitud d'ona dels raigs i va veure que es relacionava amb el nombre atòmic de l'element (nombre de protons que conté) i en va obtenir una fórmula senzilla. Què volia dir? Ho va respondre el suec Karl Siegbahn (1886-1978) el 1914 mostrant que els elements més pesants, a més de les radiacions K i L, n'emetien d'altres que va anomenar M, N, O, P, i Q, i aquestes radiacions cada cop més dèbils corresponien a capes d'electrons. El 1912 Bohr ja havia dit que els electrons havien d’estar organitzats en capes, però no ho havia pogut demostrar.

Així, doncs, s'ha vist (indirectament, és clar) la situació dels electrons dins l'àtom. Hi són en capes. La més interior, la K, té 2 electrons; la següent, la L, en pot tenir 8; la M, 18; la N, 32; la O en podria tenir 50, però no hi arriba perquè quan només en té 8 ja comença a formar-se la P; i quan la P en té 2 la O augmenta fins a 18; i quan la P en té 8 ja s'inicia la Q. Què són aquests nombres? Què representen? Fixeu-vos que són els dobles dels quadrats d’1, 2, 3, 4 i 5. Ara bé, quan una energia electromagnètica incideix en un àtom, els electrons s’“exciten”, canvien d'òrbita i emeten la radiació corresponent que fa que retornin a l'estat normal. El nombres 2, 8, 18, 32... expressen la quantitat màxima d'electrons que hi pot haver en aquella capa, que si ja és l'última només en pot tenir d'1 a 8. Tot això és el que es va deduir aleshores per explicar com són els nivells de situació dels electrons. Després encara es van presentar més complicacions a l'hora d'explicar les respostes que donaven a energies més altes. No són tan sols en nivells. Cal distingir-hi subnivells, i de les òrbites avui es prefereix dir-ne orbitals. Com que els electrons, a més, es comporten també com ones, la cosa es complica molt. Però em sembla que amb el que us he dit ja en teniu prou per a formar-vos-en una idea. L'àtom es molt complicat! Un altre dia us parlaré del nucli.

Text: FRANCESC NICOLAU
Il·lustració: PILARÍN