De l'estructura de l'àtom a la bomba termonuclear

Introducció

Entre finals del segle XIX i la primera meitat del segle XX es produeixen alguns dels avenços científics més importants de la història: descobriments que transformen la comprensió de la matèria, l'energia, l'espai i el temps.

Fins a finals del segle XIX es pensava que l'àtom era indivisible. Diversos científics van demostrar que estava format per partícules més petites. J. J. Thomson (1897) va descobrir l'electró mitjançant experiments amb tubs de raigs catòdics (Thomson, 1897). Ernest Rutherford (1909-1911) va demostrar, amb l'experiment de la làmina d'or, que l'àtom té un nucli molt petit, dens i carregat positivament (LibreTexts, 2026). Niels Bohr (1913) va proposar que els electrons només poden ocupar òrbites amb energies determinades, fet que explicava l'espectre de l'hidrogen (Britannica, 2026a). James Chadwick (1932) va descobrir el neutró i va completar la descripció bàsica de l'àtom (Chadwick, 1932). Així, l'àtom va passar de considerar-se una esfera massissa a entendre's com una estructura formada per un nucli envoltat d'electrons.

El 1905, Albert Einstein publica la teoria de la relativitat especial. El 1915 presenta la relativitat general, que explica la gravetat com la curvatura de l'espai-temps causada per la massa. Es canvia completament la visió de l'espai, el temps i la gravetat.

L'estudi del món microscòpic demostra que les lleis de la física clàssica no descriuen correctament els àtoms. Max Planck (1900) proposa que l'energia s'emet en petits paquets anomenats quants. Albert Einstein (1905) explica l'efecte fotoelèctric introduint el concepte de fotó. Louis de Broglie (1924) suggereix que les partícules també tenen comportament ondulatori. Erwin Schrödinger (1926) desenvolupa la mecànica ondulatòria. Werner Heisenberg (1927) formula el principi d'incertesa, segons el qual no és possible conèixer simultàniament amb precisió la posició i la velocitat d'una partícula. La física quàntica descriu el comportament dels àtoms i les partícules elementals i és la base de l'electrònica, els làsers, els semiconductors i la informàtica moderna.

El coneixement del nucli atòmic permet entendre que conté una enorme quantitat d'energia. Henri Becquerel (1896) va descobrir la radioactivitat. Marie i Pierre Curie van estudiar els elements radioactius i van descobrir el radi i el poloni (Nobel Prize, 1996). Otto Hahn i Fritz Strassmann (1938), amb la interpretació teòrica de Lise Meitner i Otto Frisch, van descobrir la fissió nuclear: la divisió del nucli d'urani en nuclis més petits amb alliberament d'una gran quantitat d'energia. A partir de 1942 es van desenvolupar els primers reactors nuclears i, posteriorment, les centrals nuclears. També es coneix la fusió nuclear, procés en què dos nuclis lleugers s'uneixen per formar-ne un de més pesant i alliberen energia; és el mecanisme que alimenta el Sol i les estrelles (IAEA, 2024; NRC, 2025). L'energia nuclear s'utilitza per produir electricitat i també té aplicacions en medicina i investigació científica, tot i que també s'ha emprat en armament.

Els descobriments de l'estructura de l'àtom, la teoria de la relativitat, la física quàntica i l'energia nuclear transformen profundament la ciència del segle XX. Permeten comprendre la naturalesa de la matèria i de l'energia i donen lloc a nombroses aplicacions tecnològiques, des dels ordinadors i els làsers fins a l'energia nuclear, la medicina moderna i els sistemes de navegació per satèl·lit. Un conjunt de coneixements que constitueix la base de la física contemporània.

L’electró

La imatge representa l'experiment de J. J. Thomson (1897), amb el qual demostra que els raigs catòdics estan formats per partícules amb càrrega negativa, els electrons, i en determina la relació càrrega/massa (e/m) (Thomson, 1897).

A l'interior d'un tub de vidre gairebé buit (amb molt poc gas) s'aplica una diferència de potencial elevada entre dos elèctrodes. El càtode (-) és l'elèctrode negatiu. Des d'aquí s'emeten els electrons. L’ànode (+) és l'elèctrode positiu, perforat al centre. Accelera els electrons i permet que travessin el seu orifici formant un feix molt fi d'electrons que viatja en línia recta fins a impactar sobre la pantalla fluorescent, que s'il·lumina en el punt on arriben els electrons.

La imatge mostra també dues plaques metàl·liques connectades a una font de tensió. La placa superior, de color blau, és negativa (-), i la placa inferior, de color vermell, és positiva (+). Com que els electrons tenen càrrega negativa, són repel·lits per la placa negativa i atrets per la positiva. Per això el feix es corba cap avall fins al punt C. Si no hi hagués camp elèctric, el feix seguiria una trajectòria recta i arribaria al punt B. Si s'invertís la polaritat de les plaques, el feix es desviaria cap amunt.

L'imant, amb els pols N i S, genera un camp magnètic perpendicular al moviment dels electrons. Aquest camp també exerceix una força sobre el feix, però en una direcció diferent de la del camp elèctric. Variant la intensitat del camp elèctric i del camp magnètic, Thomson podia aconseguir que les dues forces es compensessin i que el feix tornés a seguir una trajectòria recta. Aquesta situació li permetia calcular la velocitat dels electrons i, combinant-la amb la desviació produïda pel camp magnètic, determinar la relació càrrega/massa.

Thomson va obtenir el valor:

\(\frac{e}{m}=1,76 \times 10^8\ \text{C/g}\)

que equival a

\(\frac{e}{m}=1,76 \times 10^{11}\ \text{C/kg}.\)

Un valor molt superior al de qualsevol ió conegut, cosa que demostra que els electrons tenen una massa extraordinàriament petita.

L'experiment de Thomson revoluciona la física en demostrar que l'àtom no és indivisible, sinó que conté partícules més petites; que els electrons són constituents universals de tota la matèria; i que es pot mesurar quantitativament una propietat fonamental dels electrons, la seva relació càrrega/massa. Aquest fet obrirà el camí al model atòmic de Thomson i, posteriorment, als models de Rutherford i Bohr (Thomson, 1897).

Vegem-ho en un vídeo de Eduscopi (Youtube): «L’experiment de Thomson. El tub de rajos catòdics». I també en aquest «model simplificat de l’experiment de Thomson».

Aquest experiment permet superar el model atòmic de Thomson, que imaginava l'àtom com una massa de càrrega positiva amb els electrons incrustats al seu interior.

El protó. Descobriment del nucli atòmic.

L'any 1909, els físics Ernest Rutherford, juntament amb els seus col·laboradors Hans Geiger i Ernest Marsden, duen a terme un experiment que revoluciona la comprensió de l'estructura de l'àtom. Fins aleshores s'accepta el model atòmic de J. J. Thomson, segons el qual l'àtom és una esfera de càrrega positiva amb els electrons incrustats al seu interior (LibreTexts, 2026).

L'experiment consisteix a dirigir un feix de partícules alfa (α) —nuclis d'heli amb càrrega positiva— contra una làmina molt fina d'or, d'un gruix de només uns quants centenars d'àtoms. Al voltant de la làmina s'hi col·loca una pantalla fluorescent de sulfur de zinc, que emet petits centelleigs quan és impactada per una partícula alfa. Això permet detectar la direcció en què surten les partícules després de travessar la làmina d'or.

S'esperava que les partícules alfa travessessin la làmina amb una desviació molt petita, tal com preveia el model de Thomson. Tanmateix, els resultats van ser sorprenents: la gran majoria, més del 99%, va travessar la làmina sense pràcticament desviar-se; algunes partícules es van desviar lleugerament; i una fracció molt petita, aproximadament una de cada 20.000, es va desviar en angles molt grans o fins i tot va rebotar cap enrere.

Rutherford va afirmar que el resultat era tan inesperat «com si haguessis disparat un projectil d'artilleria contra un full de paper de seda i aquest hagués rebotat».

Per explicar-ne els resultats, Rutherford proposa un nou model de l'àtom: la major part del volum de l'àtom és espai buit, fet que explica per què gairebé totes les partícules alfa travessen la làmina sense obstacles; la càrrega positiva i gairebé tota la massa de l'àtom estan concentrades en una regió central molt petita, anomenada nucli atòmic; els electrons es troben al voltant del nucli ocupant la resta del volum de l'àtom.

Les partícules alfa que passen molt a prop del nucli són fortament repel·lides, ja que tant el nucli com les partícules alfa tenen càrrega positiva. Aquesta repulsió provoca les grans desviacions observades.

El model nuclear proposat per Rutherford (1911) descriu l'àtom com un sistema similar, a grans trets, a un sistema planetari: un nucli molt petit, dens i carregat positivament al centre; els electrons movent-se al seu voltant; un espai gairebé buit entre el nucli i els electrons.

Posteriorment, Niels Bohr perfeccionarà aquest model introduint-hi òrbites electròniques quantitzades.

L'experiment de Rutherford demostra que l'àtom no és una esfera massissa, sinó que és gairebé tot espai buit; que existeix un nucli atòmic que concentra pràcticament tota la massa i la càrrega positiva; i que el model de Thomson ha de ser substituït per un nou model nuclear. Aquest descobriment obre el camí al desenvolupament de la teoria atòmica, la física nuclear i, més endavant, la física quàntica (LibreTexts, 2026).

Vegem-ne una «versió moderna de l’experiment de Rutherford».

L'àtom ja no es pot entendre com el “pastís de panses” proposat per Thomson, sinó com una estructura amb un nucli petitíssim, carregat positivament —format per protons—, envoltat d'electrons que ocupen un espai molt gran en proporció a la mida del nucli.

L’espectre de l’hidrogen. Model atòmic de Bohr.

A principis del segle XX, el model atòmic de Rutherford explica l'existència d'un nucli central, però presenta un problema important: segons la física clàssica, els electrons, en girar al voltant del nucli, haurien d'emetre energia contínuament, perdre velocitat i acabar caient sobre el nucli. A més, aquest model no pot explicar l'espectre de línies de l'hidrogen.

L'any 1913, el físic danès Niels Bohr proposa un nou model atòmic que combina el model nuclear de Rutherford amb les primeres idees de la teoria quàntica de Max Planck. Bohr formula tres hipòtesis fonamentals (Britannica, 2026a):

Els electrons només poden moure's en determinades òrbites estables al voltant del nucli, anomenades òrbites estacionàries. En aquestes òrbites no emeten energia.
Cada òrbita té una energia determinada, és a dir, l'energia dels electrons està quantitzada. No poden existir òrbites intermèdies.
Els electrons només emeten o absorbeixen energia quan salten d'una òrbita a una altra. Si un electró absorbeix energia, passa a una òrbita més allunyada del nucli. Quan torna a una òrbita de menor energia, emet un fotó la freqüència del qual depèn de la diferència d'energia entre els dos nivells.

La relació entre l'energia emesa i la freqüència de la llum és:

\(\Delta E = h\nu\)

on:

\(\Delta E\) és la diferència d'energia entre els dos nivells,
\(h\) és la constant de Planck,
\(\nu\) és la freqüència del fotó emès.

Quan es fa passar una descàrrega elèctrica a través d'un gas d'hidrogen, els seus àtoms emeten llum. Si aquesta llum es descompon amb un prisma o una xarxa de difracció, no apareix un espectre continu, sinó un conjunt de línies brillants de colors ben definits. Aquest conjunt de línies constitueix l'espectre d'emissió de l'hidrogen.

Segons Bohr:

cada línia correspon a un salt electrònic entre dos nivells d'energia;
cada transició produeix un fotó d'una energia determinada;
com que només existeixen determinats nivells energètics, només es poden emetre determinades longituds d'ona. Les diferents longituds d’ona són visibles amb un espectroscopi i constitueixen la sèrie de Balmer.

El model de Bohr explica amb gran precisió l'estabilitat de l'àtom d'hidrogen, l'espectre de línies de l'hidrogen i les energies dels nivells electrònics.

Tanmateix, presenta limitacions: no explica correctament els espectres dels àtoms amb més d'un electró i no descriu el comportament ondulatori dels electrons.

Les limitacions del model atòmic de Bohr conduiran al desenvolupament posterior de la mecànica quàntica, amb les aportacions de Schrödinger, Heisenberg, Born i altres físics.

El model de Bohr és el primer a introduir la idea que l'energia dels electrons està quantitzada, un principi fonamental de la física quàntica. La seva explicació de l'espectre de l'hidrogen demostra que la llum emesa pels àtoms és conseqüència dels salts dels electrons entre nivells d'energia, establint un pont entre l'estructura de l'àtom i la naturalesa de la radiació electromagnètica (OpenStax, 2026).

Vegem-ho en aquest «vídeo resum de la física quàntica i el model de Bohr».

James Chadwick i el descobriment del neutró

L'any 1932, el físic anglès James Chadwick descobreix el neutró, una partícula sense càrrega elèctrica situada al nucli de l'àtom. Aquest descobriment completa el model atòmic iniciat per Thomson, Rutherford i Bohr, i permet explicar moltes propietats dels nuclis atòmics que fins aleshores no tenien una interpretació satisfactòria (Chadwick, 1932).

Des dels treballs de Rutherford se sabia que el nucli contenia protons, però hi havia una dificultat important: la massa dels nuclis era molt superior a la que corresponia únicament al nombre de protons. Per exemple, l'heli té 2 protons, però la seva massa és aproximadament de 4 unitats de massa atòmica (uma). L'existència només de protons no podia justificar aquesta diferència.

A més, els protons tenen càrrega positiva i es repel·leixen entre ells. Cal, doncs, explicar com poden romandre units dins del nucli.

Chadwick bombardeja una làmina de beril·li amb partícules alfa procedents d'una font radioactiva de poloni. En impactar sobre el beril·li es produeix una radiació molt penetrant que inicialment és interpretada erròniament com a raigs gamma.

Per comprovar-ne la naturalesa, Chadwick col·loca davant del feix una substància rica en hidrogen, com la parafina. Observa que aquesta radiació expulsa protons de la parafina amb una energia molt elevada i conclou que no pot estar formada per fotons, sinó per unes partícules sense càrrega elèctrica i amb una massa molt semblant a la del protó. Aquestes noves partícules rebran el nom de neutrons (Chadwick, 1932).

El nucli està format, per tant, per protons i neutrons, anomenats conjuntament nucleons.

El descobriment del neutró explica: per què la massa dels àtoms és superior a la que correspon només als protons; l'existència dels isòtops, àtoms d'un mateix element amb el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons; l'estabilitat dels nuclis atòmics, gràcies a la força nuclear forta que manté units protons i neutrons.

A més, els neutrons, en no tenir càrrega elèctrica, penetren fàcilment els nuclis atòmics, fet que resultarà fonamental per al desenvolupament de la física nuclear, la fissió nuclear, els reactors nuclears i nombroses aplicacions científiques i mèdiques.

Per aquest descobriment, James Chadwick rep el Premi Nobel de Física l'any 1935.

Vegem aquest vídeo sobre el «descobriment del neutró».

Els elements químics

En l’àtom, el nombre de protons determina de quin element químic es tracta, mentre que el nombre de neutrons pot variar donant lloc als diferents isòtops d'un mateix element.

Un element químic és una substància formada per àtoms que tenen el mateix nombre de protons al nucli. Aquest nombre s'anomena nombre atòmic (Z). Així, per exemple: hidrogen (H), Z = 1; carboni (C), Z = 6; oxigen (O), Z = 8; ferro (Fe), Z = 26; or (Au), Z = 79.

Actualment es coneixen 118 elements químics, ordenats segons el seu nombre atòmic a la taula periòdica. Cada element es representa mitjançant un símbol químic (H, He, O, Na, Fe, etc.) i presenta propietats físiques i químiques pròpies.

Els àtoms dels diferents elements es poden unir mitjançant enllaços químics per formar molècules i compostos.

Totes les interaccions que es produeixen a l'Univers es poden explicar mitjançant quatre forces fonamentals.

Força gravitatòria. És l'atracció entre cossos que tenen massa. Té un abast infinit. És la més feble de les quatre forces. Manté els planetes en òrbita al voltant del Sol i governa l'estructura de l'Univers a gran escala. Provoca, per exemple, la caiguda dels objectes, les marees i el moviment dels planetes.
Força electromagnètica. Actua entre partícules amb càrrega elèctrica. Pot ser atractiva o repulsiva. També té un abast infinit. És molt més intensa que la gravetat. És responsable, per exemple, dels enllaços químics; l'electricitat; el magnetisme; la llum i totes les ones electromagnètiques. Sense aquesta força no existirien els àtoms ni les molècules.
Força nuclear forta. És la força més intensa de la natura. Actua només dins del nucli atòmic, a distàncies extremadament petites (aproximadament (10^{-15}) m). La seva funció és mantenir units els protons i els neutrons, superant la repulsió elèctrica entre els protons. Sense aquesta força, els nuclis atòmics no serien estables.
Força nuclear feble. Actua també a molt curta distància. És responsable d'alguns processos radioactius, com la desintegració beta, en què un neutró es transforma en un protó (o viceversa), emetent un electró o un positró i un neutrí. Aquesta força és essencial en les reaccions nuclears que tenen lloc al Sol i a les estrelles.

Les lleis de la física i de la química s'expliquen a partir de la composició íntima de la matèria i de les seves interaccions. Matèria i energia estan relacionades, com mostra la famosa equació d'Einstein. Tot i que els nuclis formen part dels àtoms, convé distingir entre reaccions nuclears i reaccions químiques: en una reacció nuclear canvia el nucli de l'àtom, mentre que en una reacció química es reorganitzen els electrons i els enllaços entre àtoms. Per això una explosió atòmica és una reacció nuclear, mentre que una oxidació és una reacció química.

Marie Curie. La radioactivitat

Pierre i Marie Curie continuen l’estudi de la radioactivitat, descoberta per Henri Becquerel l’any 1896. Conjuntament, descobreixen i investiguen diversos elements radioactius com ara el poloni i el radi. També desenvolupen noves tècniques per aïllar i mesurar materials radioactius, contribuint significativament a l'estudi de les seves propietats (Nobel Prize, 1996; Curie, 1911).

El seu treball va tenir un impacte profund en el camp de la física i la química i va ser reconegut amb el Premi Nobel de Física l'any 1903, compartit amb Antoine Henri Becquerel, per les seves investigacions sobre la radiació. El descobriment de la radioactivitat va ser fonamental per comprendre l'àtom i la naturalesa de la matèria, i va conduir al desenvolupament posterior de la física nuclear.

Marie Curie continuarà treballant en el camp de la radioactivitat després de la mort de Pierre Curie l'any 1906 i, l’any 1911, rebrà un segon Premi Nobel, aquest cop de Química, per les seves investigacions sobre el poloni i el radi (Curie, 1911).

Estudia les emissions de radiació dels materials radioactius: les partícules alfa (α), les beta (β) i els raigs gamma (γ).

En travessar un camp magnètic, les partícules alfa (α), carregades positivament, es desvien en una direcció; les partícules beta (β), carregades negativament, es desvien en sentit contrari; i els raigs gamma (γ), que no tenen càrrega elèctrica, continuen en línia recta. Aquest comportament va permetre demostrar que es tractava de tres tipus de radiació diferents.

Cada tipus de radiació és més o menys penetrant:

La radiació alfa (α): és la menys penetrant. Una simple fulla de paper és suficient per aturar-la. Queda retinguda per la pell i, generalment, no és perillosa si la font radioactiva és externa. En canvi, pot ser molt nociva si s'inhala o s'ingereix, perquè allibera molta energia en una distància molt curta.
La radiació beta (β): és més penetrant. Travessa el paper però queda absorbida per una làmina d'alumini de pocs mil·límetres. Travessa la pell i arriba als teixits superficials, on pot produir lesions.
La radiació gamma (γ): és la més penetrant. Pot travessar paper i alumini, i només una gruixuda capa de plom o de formigó n'atenua significativament la intensitat. Travessa els teixits tous i pot arribar als òrgans interns i fins i tot als ossos; per això és la radiació externa més difícil de protegir.

És ben conegut que el matrimoni Curie va patir els efectes nocius de la radioactivitat, en una època en què aquests riscos encara no eren prou coneguts.

Fusió i fissió nuclears. Energia estel·lar i armes termonuclears.

Al Sol i a la majoria d'estrelles, l'energia es produeix mitjançant la fusió nuclear (IAEA, 2024).

A l'interior del Sol hi ha temperatures d'uns 15 milions de graus i pressions enormes.

En aquestes condicions:

Els nuclis d'hidrogen (protons) xoquen entre si.
Quatre nuclis d'hidrogen acaben fusionant-se per formar un nucli d'heli.
La massa del nucli d'heli és lleugerament inferior a la suma de les masses dels quatre protons inicials.Aquesta petita diferència de massa es transforma en energia segons l'equació d'Einstein: \(E=mc^2\). Aquesta energia s'allibera en forma de llum, calor, neutrins i radiació gamma.

Durant la cadena de fusió apareixen nuclis inestables que pateixen desintegració beta, transformant-se espontàniament. Aquestes desintegracions formen part del procés, però la font principal d'energia és la fusió.

La bomba atòmica funciona mitjançant la fissió nuclear, un procés molt diferent en què un nucli pesant es divideix en nuclis més petits i allibera energia i neutrons capaços d'iniciar una reacció en cadena (IAEA, 2025).

S'utilitzen nuclis molt pesants, com urani-235 o plutoni-239. Quan un neutró impacta sobre un d'aquests nuclis:

el nucli es trenca en dos fragments més petits;
s'alliberen 2 o 3 neutrons nous;
també s'allibera una enorme quantitat d'energia.

Els neutrons produïts poden trencar altres nuclis, iniciant una reacció en cadena. Si aquesta reacció no es controla, en menys d'una milionèsima de segon es produeixen bilions de fissions i una explosió enorme.

En el cas de la bomba d'hidrogen, o bomba termonuclear, l'explosió prèvia d'una bomba de fissió, d'urani o plutoni, provoca les condicions necessàries per a la fusió nuclear, semblants a les que existeixen a l'interior de les estrelles. La bomba de fissió actua com a detonador i genera, en una fracció de segon, temperatures de desenes de milions de graus, pressions enormes i una intensa emissió de radiació. La calor i la pressió provoquen la fusió de nuclis lleugers, principalment isòtops de l'hidrogen —deuteri i triti, o materials que els generen durant la reacció—. En fusionar-se, formen nuclis d'heli i una petita part de la massa es transforma en energia segons l'equació d'Einstein.

Les bombes termonuclears poden ser centenars o milers de vegades més potents que les primeres bombes atòmiques de fissió, perquè combinen una etapa inicial de fissió amb processos de fusió nuclear en condicions extremes (NRC, 2025).

Bibliografia

Britannica (2026a) ‘Bohr model’, Encyclopaedia Britannica.
Chadwick, J. (1932) ‘Possible Existence of a Neutron’, Nature, 129, p. 312.
Curie, M. (1911) ‘Radium and the New Concepts in Chemistry’, Nobel Lecture.
IAEA (2024) ‘Nuclear fusion power, fusion energy research, ITER’, International Atomic Energy Agency.
IAEA (2025) ‘What is Nuclear Energy? The Science of Nuclear Power’, International Atomic Energy Agency.
LibreTexts (2026) ‘Gold Foil Experiment’, Chemistry LibreTexts.
Nobel Prize (1996) ‘Marie and Pierre Curie and the discovery of polonium and radium’, NobelPrize.org.
NRC (2025) ‘Understanding the Difference Between Nuclear Fission and Fusion Technologies’, U.S. Nuclear Regulatory Commission.
OpenStax (2026) ‘Bohr’s Model of the Hydrogen Atom’, University Physics Volume 3.
Thomson, J. J. (1897) ‘Cathode Rays’, Philosophical Magazine, 44, pp. 293-316.

Jordi Coll Vera - 2026