MODEL ATOMOWY THOMSONA: CHARAKTERYSTYKA, POSTULATY, CZĄSTKI SUBATOMOWE - FIZYCZNY - 2025

Model atomowy Thomsona został stworzony przez znanego angielskiego fizyka JJ Thomsona, który odkrył elektron. Za to odkrycie i za pracę nad przewodnictwem elektrycznym w gazach otrzymał w 1906 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Z jego pracy z promieniami katodowymi stało się jasne, że atom nie był niepodzielną jednostką, jak postulował Dalton w poprzednim modelu, ale zawierał dobrze określoną strukturę wewnętrzną.

Thomson stworzył model atomu na podstawie wyników swoich eksperymentów z promieniami katodowymi. Stwierdził w nim, że elektrycznie obojętny atom składa się z dodatnich i ujemnych ładunków równej wielkości.

Jak nazwano atomowy model Thomsona i dlaczego?

Według Thomsona ładunek dodatni był rozłożony w całym atomie, a ładunki ujemne były w nim osadzone, tak jakby były rodzynkami w budyniu. Z tego porównania wywodzi się termin „budyń rodzynkowy”, ponieważ model ten był nieformalnie znany.

Joseph John Thomson

Chociaż pomysł Thomsona wygląda dziś na dość prymitywny, w tamtym czasie stanowił nowatorski wkład. Podczas krótkiego życia modelu (od 1904 do 1910 roku) miał on poparcie wielu naukowców, choć wielu innych uważało go za herezję.

W końcu w 1910 roku pojawiły się nowe dowody na temat struktury atomu, a model Thomsona szybko upadł na bok. Stało się to, gdy tylko Rutherford opublikował wyniki swoich eksperymentów rozpraszania, które ujawniły istnienie jądra atomowego.

Jednak model Thomsona jako pierwszy postulował istnienie cząstek subatomowych, a jego wyniki były owocem drobnych i rygorystycznych eksperymentów. W ten sposób ustanowił precedens dla wszystkich późniejszych odkryć.

Charakterystyka i postulaty modelu Thomsona

Thomson doszedł do swojego modelu atomowego na podstawie kilku obserwacji. Po pierwsze, promieniowanie rentgenowskie nowo odkryte przez Roentgena było zdolne do jonizacji cząsteczek powietrza. Do tej pory jedynym sposobem na jonizację była chemiczna separacja jonów w roztworze.

Ale angielskiemu fizykowi udało się z powodzeniem zjonizować nawet gazy jednoatomowe, takie jak hel, za pomocą promieni rentgenowskich. To doprowadziło go do przekonania, że ​​ładunek wewnątrz atomu można oddzielić, a zatem nie jest on niepodzielny. Zauważył również, że promienie katodowe mogą być odchylane przez pola elektryczne i magnetyczne.

JJ Thomson, odkrywca elektronu. Źródło: Lifeder.

Dlatego Thomson opracował model, który poprawnie wyjaśnił fakt, że atom jest elektrycznie obojętny, a promienie katodowe składają się z ujemnie naładowanych cząstek.

Korzystając z dowodów eksperymentalnych, Thomson scharakteryzował atom w następujący sposób:

- Atom jest elektrycznie obojętną stałą kulą o przybliżonym promieniu ^10–10 m.

-Ładunek dodatni jest rozłożony mniej więcej równomiernie w całej kuli.

- Atom zawiera ujemnie naładowane „cząsteczki”, które zapewniają jego neutralność.

-Te ciałka są takie same dla każdej materii.

-Gdy atom jest w równowadze, w sferze o dodatnim ładunku regularnie rozmieszczonych jest n ciałek.

-Masa atomu jest równomiernie rozłożona.

Promienie katodowe

Wiązka elektronów kierowana jest z katody do anody.

Thomson przeprowadził swoje eksperymenty przy użyciu promieni katodowych, odkrytych w 1859 r. Promienie katodowe to wiązki ujemnie naładowanych cząstek. Do ich produkcji wykorzystuje się szklane lampy próżniowe, w których umieszczane są dwie elektrody, zwane katodą i anodą.

Następnie przepuszczany jest prąd elektryczny, który podgrzewa katodę, która w ten sposób emituje niewidzialne promieniowanie kierowane bezpośrednio do przeciwległej elektrody.

Aby wykryć promieniowanie, które jest niczym innym jak promieniami katodowymi, ścianka rury za anodą pokryta jest materiałem fluorescencyjnym. Kiedy promieniowanie tam dociera, ścianka rury emituje intensywną jasność.

Jeśli ciało stałe przeszkadza promieniom katodowym, rzuca cień na ścianę rury. Oznacza to, że promienie poruszają się po linii prostej, a także, że można je łatwo zablokować.

Charakter promieni katodowych był szeroko dyskutowany, ponieważ ich natura była nieznana. Niektórzy uważali, że są to fale elektromagnetyczne, podczas gdy inni twierdzili, że są to cząstki.

Cząstki subatomowe z modelu atomowego Thomsona

Jak powiedzieliśmy, model atomowy Thomsona jako pierwszy postuluje istnienie cząstek subatomowych. Ciałka Thomsona to nic innego jak elektrony, fundamentalne ujemnie naładowane cząstki atomu.

Teraz wiemy, że pozostałe dwie podstawowe cząstki to dodatnio naładowany proton i nienaładowany neutron.

Jednak nie zostały one odkryte w czasie, gdy Thomson opracowywał swój model. Rozłożony był w nim ładunek dodatni w atomie, nie uważał on żadnej cząstki za niosącą ten ładunek iw tej chwili nie było żadnych dowodów na jego istnienie.

Z tego powodu jego model istniał przelotnie, ponieważ w ciągu kilku lat eksperymenty rozpraszania Rutherforda utorowały drogę do odkrycia protonu. A jeśli chodzi o neutron, sam Rutherford zaproponował jego istnienie kilka lat przed jego ostatecznym odkryciem.

Rurka Crookesa

Sir William Crookes (1832-1919) zaprojektował lampę noszącą jego imię około 1870 roku, z zamiarem dokładnego zbadania natury promieni katodowych. Dodał pola elektryczne i pola magnetyczne i zaobserwował, że promienie są przez nie odchylane.

Schemat lampy elektronopromieniowej. Źródło: Knight, R.

W ten sposób Crookes i inni badacze, w tym Thomson, odkryli, że:

1. Wewnątrz lampy elektronopromieniowej wytworzył się prąd elektryczny
2. Promienie były odchylane przez obecność pól magnetycznych w taki sam sposób, jak ujemnie naładowane cząstki.
3. Każdy metal użyty do wykonania katody był równie dobry w wytwarzaniu promieni katodowych, a ich zachowanie było niezależne od materiału.

Obserwacje te podsyciły dyskusję na temat pochodzenia promieni katodowych. Ci, którzy utrzymywali, że są falami, opierali się na fakcie, że promienie katodowe mogą podróżować w linii prostej. Co więcej, ta hipoteza bardzo dobrze wyjaśniała cień rzucany przez stały obiekt umieszczony na ścianie rury i było wiadomo, że w pewnych okolicznościach fale mogą powodować fluorescencję.

Jednak zamiast tego nie było wiadomo, w jaki sposób pola magnetyczne mogą odchylać promienie katodowe. Można to wyjaśnić tylko wtedy, gdyby te promienie były traktowane jako cząstki, co podzielał Thomsona.

Naładowane cząstki w jednolitych polach elektrycznych i magnetycznych

Naładowana cząstka z ładunkiem q doświadcza siły Fe w środku jednolitego pola elektrycznego E o wielkości:

Fe = qE

Kiedy naładowana cząstka przechodzi prostopadle przez jednolite pole elektryczne, takie jak powstające między dwiema płytkami o przeciwnych ładunkach, doświadcza ugięcia, a w konsekwencji przyspieszenia:

qE = ma

a = qE / m

Z drugiej strony, jeśli naładowana cząstka porusza się z prędkością v, w środku jednolitego pola magnetycznego o wielkości B, siła magnetyczna Fm, której doświadcza, ma następującą intensywność:

Fm = qvB

Dopóki wektory prędkości i pola magnetycznego są prostopadłe. Kiedy naładowana cząstka jest prostopadła do jednorodnego pola magnetycznego, również podlega ugięciu, a jej ruch jest równomierny kołowy.

Przyspieszenie dośrodkowe a _c w tym przypadku wynosi:

qvB = ma _c

Z kolei przyspieszenie dośrodkowe jest związane z prędkością cząstki v i promieniem R toru kołowego:

a _c = v ² / R

A zatem:

qvB = mv ² / R

Promień ścieżki kołowej można obliczyć w następujący sposób:

R = mv / qB

Później te równania zostaną wykorzystane do odtworzenia sposobu, w jaki Thomson wyprowadził zależność ładunku od masy elektronu.

Eksperyment Thomsona

Thomson przepuścił wiązkę promieni katodowych, wiązkę elektronów, choć jeszcze o tym nie wiedział, przez jednorodne pola elektryczne. Pola te powstają między dwiema naładowanymi płytkami przewodzącymi oddzielonymi niewielką odległością.

Przepuścił również promienie katodowe przez jednolite pole magnetyczne, obserwując wpływ, jaki wywarło to na wiązkę. W jednym polu, jak również w drugim, promienie uległy odchyleniu, co skłoniło Thomsona do prawidłowego myślenia, że ​​wiązka składa się z naładowanych cząstek.

Aby to zweryfikować, Thomson zastosował kilka strategii z promieniami katodowymi:

1. Zmieniał pola elektryczne i magnetyczne, aż siły ustały. W ten sposób promienie katodowe przechodziły bez odchylenia. Porównując siły elektryczne i magnetyczne, Thomson był w stanie określić prędkość cząstek w wiązce.
2. Zniwelował natężenie pola elektrycznego, w ten sposób cząstki podążały po kołowej ścieżce w środku pola magnetycznego.
3. Połączył wyniki kroków 1 i 2, aby określić stosunek ładunku do masy „ciałek”.

Stosunek ładunku do masy elektronu

Thomson ustalił, że stosunek ładunku do masy cząstek składających się na wiązkę promieni katodowych ma następującą wartość:

q / m = 1,758820 x 10 11 C. kg-1.

Gdzie q oznacza ładunek „ciałka”, który w rzeczywistości jest elektronem, a m jest jego masą. Thomson postępował zgodnie z procedurą opisaną w poprzedniej sekcji, którą tutaj odtwarzamy krok po kroku, stosując równania, których użył.

Kiedy promienie katodowe przechodzą przez skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne, przechodzą bez odchylenia. Kiedy pole elektryczne jest anulowane, uderzają w górną część rury (pole magnetyczne jest wskazywane przez niebieskie kropki między elektrodami). Źródło: Knight, R.

Krok 1

Wyrównaj siłę elektryczną i siłę magnetyczną, przepuszczając wiązkę przez prostopadłe pola elektryczne i magnetyczne:

qvB = qE

Krok 2

Określ prędkość uzyskiwaną przez cząstki wiązki, gdy przechodzą bezpośrednio bez odchylenia:

v = E / B

Krok 3

Anuluj pole elektryczne, pozostawiając tylko pole magnetyczne (teraz jest odchylenie):

R = mv / qB

Z v = E / B wynika:

R = mE / qB ²

Można zatem zmierzyć promień orbity, dlatego:

q / m = v / RB

No cóż:

q / m = E / RB ²

Następne kroki

Następną rzeczą, jaką zrobił Thomson, był pomiar stosunku q / m przy użyciu katod wykonanych z różnych materiałów. Jak wspomniano wcześniej, wszystkie metale emitują promienie katodowe o identycznych właściwościach.

Następnie Thomson porównał ich wartości z wartościami stosunku q / m jonu wodorowego, uzyskanego w wyniku elektrolizy, którego wartość wynosi około 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Stosunek ładunku do masy elektronu jest około 1750 razy większy niż w przypadku jonu wodorowego.

Dlatego promienie katodowe miały znacznie większy ładunek lub być może masę znacznie mniejszą niż masa jonu wodorowego. Jon wodorowy to po prostu proton, o którego istnieniu dowiedzieliśmy się długo po eksperymentach Rutherforda z rozpraszaniem.

Dziś wiadomo, że proton jest prawie 1800 razy masywniejszy od elektronu i ma ładunek równej wielkości i przeciwny znak niż elektron.

Innym ważnym szczegółem jest to, że w eksperymentach Thomsona ładunek elektryczny elektronu nie został określony bezpośrednio, ani wartość jego masy oddzielnie. Wartości te zostały określone w eksperymentach Millikana, które rozpoczęły się w 1906 roku.

Różnice między modelami Thomsona i Daltona

Podstawowa różnica między tymi dwoma modelami polega na tym, że Dalton uważał, że atom jest kulą. W przeciwieństwie do Thomsona nie proponował istnienia ładunków dodatnich ani ujemnych. Dla Daltona atom wyglądał następująco:

Atom Daltona

Jak widzieliśmy wcześniej, Thomson uważał, że atom jest podzielny, a jego strukturę tworzy kula dodatnia i otaczające ją elektrony.

Modelowe wady i ograniczenia

W tamtym czasie model atomowy Thomsona zdołał bardzo dobrze wyjaśnić chemiczne zachowanie substancji. Dokładnie wyjaśnił również zjawiska zachodzące w lampie katodowej.

Jednak w rzeczywistości Thomson nawet nie nazwał swoich cząstek „elektronami”, chociaż termin ten został już wcześniej ukuty przez George'a Johnstone'a Stoneya. Thomson nazwał je po prostu „ciałkami”.

Chociaż Thomson wykorzystał całą dostępną mu wówczas wiedzę, jego model ma kilka ważnych ograniczeń, które ujawniły się bardzo wcześnie:

- Ładunek dodatni nie jest rozprowadzany po całym atomie . Eksperymenty z rozpraszaniem Rutherforda wykazały, że dodatni ładunek atomu jest koniecznie ograniczony do małego obszaru atomu, który później stał się znany jako jądro atomowe.

- Elektrony mają określony rozkład w każdym atomie . Elektrony nie są rozmieszczone równomiernie, jak rodzynki w słynnym puddingu, ale mają raczej układ orbitali, który ujawnił późniejsze modele.

To właśnie układ elektronów w atomie pozwala na uporządkowanie pierwiastków według ich charakterystyk i właściwości w układzie okresowym. Było to ważne ograniczenie modelu Thomsona, które nie potrafiło wyjaśnić, jak można tak porządkować elementy.

- Jądro atomowe to to, które zawiera większość masy. Model Thomsona zakładał, że masa atomu jest w nim równomiernie rozłożona. Ale dzisiaj wiemy, że masa atomu jest praktycznie skoncentrowana w protonach i neutronach jądra.

Należy również zauważyć, że ten model atomu nie pozwolił wywnioskować typu ruchu elektronów w atomie.

Ciekawe artykuły

Model atomowy Schrödingera.

Model atomowy De Brogliego.

Model atomowy Chadwicka.

Model atomowy Heisenberga.

Model atomowy Perrina.

Model atomowy Daltona.

Model atomowy Diraca Jordana.

Atomowy model Demokryta.

Model atomowy Bohra.

Model atomowy Sommerfelda.

Bibliografia

1. Andriessen, M. 2001. Kurs HSC. Fizyka 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Fizyka uniwersytecka. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
4. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba.
5. Wikipedia. Model atomowy Thomsona. Odzyskane z: es.wikipedia.org.