THOMSON-OV ATOMSKI MODEL: ZNAČILNOSTI, POSTULATI, SUBATOMSKI DELCI - FIZIČNO - 2026

Atomski model Thomson je ustvaril sloviti angleški fizik JJ Thomson, ki je odkril elektron. Za to odkritje in svoje delo na področju električne prevodnosti v plinih je prejel 1906 Nobelovo nagrado za fiziko.

Iz njegovega dela s katodnimi žarki je postalo jasno, da atom ni nedeljiva entiteta, kot je Dalton postuliral v prejšnjem modelu, ampak vsebuje dobro definirano notranjo strukturo.

Thomson je na podlagi rezultatov svojih poskusov s katodnimi žarki naredil model atoma. V njem je izjavil, da je električno nevtralen atom sestavljen iz pozitivnih in negativnih nabojev enake velikosti.

Kako se je imenoval Thomson-ov atomski model in zakaj?

Po Thomsonu se je pozitivni naboj porazdelil po celotnem atomu, negativni naboji pa so bili vanj vtisnjeni, kot da so rozine v pudingu. Iz te primerjave je nastal izraz "rozinski puding", kot je bil model neuradno znan.

Joseph John Thomson

Čeprav je Thomsonova ideja danes videti precej primitivno, je takrat predstavljala nov prispevek. V kratki življenjski dobi modela (od 1904 do 1910) je imel podporo mnogih znanstvenikov, čeprav so ga mnogi šteli za krivoverstvo.

Nazadnje so se leta 1910 pojavili novi dokazi o zgradbi atoma in Thomson-ov model je hitro padel na stran. To se je zgodilo takoj, ko je Rutherford objavil rezultate svojih poskusov razprševanja, ki so razkrili obstoj atomskega jedra.

Vendar je Thomson-ov model prvi postavil obstoj subatomskih delcev, njegovi rezultati pa so bili plod finega in strogega eksperimentiranja. Na ta način je postavil precedens za vsa odkritja, ki so sledila.

Značilnosti in postulati modela Thomson

Thomson je prišel do svojega atomskega modela na podlagi več opazovanj. Prvi je bil, da so na novo odkriti Roentgen rentgenski žarki zmožni ionizirajoče molekule zraka. Do takrat je bil edini način za ionizacijo kemično ločevanje ionov v raztopini.

Toda angleškemu fiziku je s pomočjo rentgenskih žarkov uspelo ionizirati celo mononatomske pline, kot je helij, zaradi česar je verjel, da se naboj znotraj atoma lahko loči in da zato ni nedeljiv. Opazil je tudi, da katodni žarki odklonili bi jih lahko z električnim in magnetnim poljem.

JJ Thomson, odkritelj elektrona. Vir: Lifeder.

Torej je Thomson zasnoval model, ki je pravilno razložil dejstvo, da je atom električno nevtralen in da so katodni žarki sestavljeni iz negativno nabitih delcev.

Thomson je z eksperimentalnimi dokazi označil atom na naslednji način:

-Atom je električno nevtralna trdna krogla s približnim polmerom 10 ^-10 m.

-Pozitivni naboj je bolj ali manj enakomerno razporejen po celotni sferi.

-Atom vsebuje negativno nabite "korpuske", ki zagotavljajo njegovo nevtralnost.

-Ta žila je enaka za vse snovi.

-Ko je atom v ravnotežju, je znotraj sfere pozitivnega naboja redno razporejenih n korpusklov.

-Maza atoma je enakomerno razporejena.

Katodni žarki

Žare elektronov so usmerjene od katode do anode.

Thomson je svoje poskuse izvajal s katodnimi žarki, ki so jih odkrili leta 1859. Katodni žarki so snopi negativno nabitih delcev. Za njihovo izdelavo se uporabljajo vakuumske steklene cevi, v katere sta postavljeni dve elektrodi, imenovani katoda in anoda.

Nato se prenaša električni tok, ki segreva katodo, ki na ta način oddaja nevidno sevanje, ki je usmerjeno neposredno na nasprotno elektrodo.

Za zaznavanje sevanja, ki ni nič drugega kot katodni žarki, je stena cevi za anodo prekrita s fluorescentnim materialom. Ko sevanje doseže tam, stena cevi oddaja intenzivno svetilnost.

Če trden predmet stopi na pot katodnim žarkom, vrže senco na steno cevi. To kaže, da žarki potujejo po ravni črti in tudi, da jih je mogoče enostavno blokirati.

O naravi katodnih žarkov je bilo veliko razpravljati, saj njihova narava ni bila znana. Nekateri so mislili, da gre za valove elektromagnetnega tipa, drugi pa, da so delci.

Subatomski delci iz Thomsonovega atomskega modela

Thomson-ov atomski model je, kot rečeno, prvi, ki je postavil obstoj subatomskih delcev. Thomsonovi telesci niso nič drugega kot elektroni, temeljni negativno nabiti delci atoma.

Zdaj vemo, da sta preostala dva osnovna delca pozitivno nabit proton in neizpolnjen nevron.

Toda te niso bile odkrite v času, ko je Thomson razvil svoj model. Pozitivni naboj v atomu je bil razporejen v njem, ni menil, da bi noben delček nosil ta naboj in trenutno ni bilo dokazov o njegovem obstoju.

Zaradi tega je imel njegov model minljiv obstoj, saj so Rutherfordovi poskusi raztresenja skozi nekaj let utirali pot odkritju protona. Kar zadeva nevtrona, je Rutherford sam predlagal obstoj nekaj let, preden je bil dokončno odkrit.

Crookes cev

Sir William Crookes (1832-1919) je oblikoval cev, ki nosi njegovo ime okoli leta 1870, z namenom, da natančno preuči naravo katodnih žarkov. Dodal je električna in magnetna polja ter opazil, da jih žarki odbijajo.

Shema katodnih cevi Vir: Knight, R.

Crookes in drugi raziskovalci, vključno s Thomsonom, so na ta način ugotovili, da:

1. Znotraj cevi s katodnimi žarki se je ustvaril električni tok
2. Žarki so bili odklonjeni s prisotnostjo magnetnih polj na enak način kot negativno nabiti delci.
3. Vsaka kovina, uporabljena za izdelavo katode, je bila enako dobra pri izdelavi katodnih žarkov, njihovo vedenje pa je bilo neodvisno od materiala.

Ta opažanja so spodbudila razpravo o izvoru katodnih žarkov. Tisti, ki so trdili, da gre za valove, so temeljili na dejstvu, da katodni žarki lahko potujejo po ravni črti. Poleg tega je ta hipoteza zelo dobro razložila senco, da se vmešani trden predmet vrže na steno cevi in ​​pod določenimi pogoji je bilo znano, da valovi lahko povzročijo fluorescenco.

Toda namesto tega ni bilo razumljeno, kako lahko magnetna polja odbijejo katodne žarke. To bi lahko razložili le, če bi te žarke obravnavali kot delce, hipotezo, ki jo je delil Thomson.

Napolnjeni delci v enotnem električnem in magnetnem polju

Napolnjen delček z nabojem q doživi silo Fe sredi enotnega električnega polja E velikosti:

Fe = qE

Ko nabito delce pravokotno prehaja skozi enakomerno električno polje, kot je tisto, ki nastane med dvema ploščama z nasprotnima nabojema, pride do odklona in posledično pospeška:

qE = ma

a = qE / m

Če pa se nabito delce premika s hitrostjo magnitude v, ima sredi enakomernega magnetnega polja magnitude B naslednja intenzivnost:

Fm = qvB

Dokler so vektorji hitrosti in magnetnega polja pravokotni. Ko je nabito delce pravokotno na homogeno magnetno polje, se tudi ta odkloni in je njegovo gibanje enakomerno krožno.

Centripetalni pospešek a _{c je} v tem primeru:

qvB = ma _c

Centripetalni pospešek je povezan s hitrostjo delca v in polmerom R krožne poti:

a _c = v ² / R

Tako:

qvB = mv ² / R

Polmer krožne poti je mogoče izračunati na naslednji način:

R = mv / qB

Kasneje bodo te enačbe uporabljene za poustvarjanje načina, na katerega je Thomson izpeljal razmerje med nabojem in maso elektrona.

Thomson poskus

Thomson je prešel snop katodnih žarkov, snop elektronov, čeprav tega še ni vedel, skozi enotna električna polja. Ta polja so ustvarjena med dvema napolnjenima prevodnima ploščama, ločenima z majhno razdaljo.

Prav tako je prešel katodne žarke skozi enotno magnetno polje, pri čemer je opazoval učinek, ki ga je imel ta na žarek. Na enem in drugem polju je prišlo do odklona žarkov, zaradi česar je Thomson pravilno pomislil, da je žarek sestavljen iz nabitih delcev.

Da bi to preveril, je Thomson izvedel več strategij s katodnimi žarki:

1. Spreminjal je električna in magnetna polja, dokler sile niso odpovedale. Na ta način so katodni žarki šli skozi, ne da bi pri tem odklonili. Z izenačitvijo električnih in magnetnih sil je Thomson lahko določil hitrost delcev v snopu.
2. Intenzivnost električnega polja je razveljavila, na ta način so delci sledili krožni poti sredi magnetnega polja.
3. Združil je rezultate korakov 1 in 2, da je določil razmerje med nabojem in maso "trupel".

Razmerje naboja in mase elektrona

Thomson je ugotovil, da ima razmerje med nabojem in maso delcev, ki tvorijo katodni žarek, naslednjo vrednost:

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

Kjer q predstavlja naboj "corpuscle", ki je pravzaprav elektron, m pa njegova masa. Thomson je sledil postopku, opisanemu v prejšnjem razdelku, ki ga tukaj po korakih poustvarjamo z enačbami, ki jih je uporabil.

Ko katodni žarki prehajajo skozi prekrižana električna in magnetna polja, prehajajo brez upogibanja. Ko se električno polje prekliče, udarijo v zgornji del cevi (magnetno polje je označeno z modrimi pikami med elektrodama). Vir: Knight, R.

Korak 1

Izenačite električno silo in magnetno silo, ki gredo skozi snop skozi pravokotno električno in magnetno polje:

qvB = qE

2. korak

Določite hitrost, ki jo pridobijo delci žarka, ko prehajajo neposredno brez upogiba:

v = E / B

3. korak

Prekličite električno polje in pustite samo magnetno polje (zdaj je odklon):

R = mv / qB

Z v = E / B je rezultat:

R = mE / qB ²

Polmer orbite je torej mogoče izmeriti:

q / m = v / RB

O dobro:

q / m = E / RB ²

Naslednji koraki

Naslednje, kar je Thomson storil, je bilo izmeriti razmerje med q in m z uporabo katod iz različnih materialov. Kot smo že omenili, vse kovine oddajajo katodne žarke z enakimi lastnostmi.

Nato je Thomson primerjal njihove vrednosti z razmerjem q / m vodikovega iona, dobljenega z elektrolizo in katerega vrednost je približno 1 x 10 ⁸ C / kg. Razmerje naboja in mase elektrona je približno 1750-krat večje od vodikovega iona.

Zato so katodni žarki imeli veliko večji naboj ali morda maso, veliko manjšo od mase vodikovega iona. Vodikov ion je preprosto proton, katerega obstoj je postal znan že dolgo po Rutherfordovih poskusih raztresenja.

Danes je znano, da je proton skoraj 1800-krat bolj masiven od elektrona in je z nabojem enake velikosti in nasproten znaku elektrona.

Druga pomembna podrobnost je, da s Thomsonovimi poskusi električni naboj elektrona ni bil določen neposredno, niti vrednost njegove mase ločeno. Te vrednosti so bile določene z Millikanovimi poskusi, ki so se začeli leta 1906.

Razlike v modelu Thomson in Dalton

Temeljna razlika teh dveh modelov je v tem, da je Dalton menil, da je atom sfera. V nasprotju s Thomsonom ni predlagal obstoja pozitivnih ali negativnih nabojev. Za Dalton je atom izgledal tako:

Daltonov atom

Kot smo že videli, je Thomson menil, da je atom deljiv, in njegovo strukturo tvorita pozitivna krogla in elektroni okoli nje.

Napake in omejitve modela

Takrat je Thomsonovemu atomskemu modelu uspelo zelo dobro razložiti kemijsko obnašanje snovi. Prav tako je natančno razložil pojave, ki so se zgodili v katodni cevi.

Toda Thomson v resnici svojih delcev sploh ni imenoval "elektroni", čeprav je izraz že pred časom skoval George Johnstone Stoney. Thomson jih je preprosto poimenoval "corpuscles".

Čeprav je Thomson izkoristil vse znanje, ki mu je bilo takrat na voljo, je v njegovem modelu nekaj pomembnih omejitev, ki so postale očitne že zelo zgodaj:

- Pozitiven naboj se ne porazdeli po atomu . Rutherfordski poskusi razprševanja so pokazali, da je pozitiven naboj atoma nujno omejen na majhno območje atoma, ki je kasneje postalo znano kot atomsko jedro.

- Elektroni imajo v vsakem atomu določeno porazdelitev . Elektroni niso enakomerno razporejeni, kot rozine v znamenitem pudingu, temveč imajo razporeditev v orbitalah, ki so jih razkrili poznejši modeli.

Ravno razporeditev elektronov znotraj atoma omogoča, da se elementi razporedijo po njihovih značilnostih in lastnostih v periodični tabeli. To je bila pomembna omejitev modela Thomson, ki ni mogel pojasniti, kako je mogoče na ta način naročiti elemente.

- Atomsko jedro je tisto, ki vsebuje večino mase. Thomson-ov model je predpostavljal, da je masa atoma enakomerno razporejena znotraj njega. Toda danes vemo, da je masa atoma praktično koncentrirana v protonih in nevtronih jedra.

Pomembno je tudi poudariti, da ta model atoma ni omogočal sklepanja o vrsti gibanja, ki so ga imeli elektroni znotraj atoma.

Članki o interesu

Schrödingerjev atomski model.

De Brogliejev atomski model.

Chadwickov atomski model.

Heisenbergov atomski model.

Perrinov atomski model.

Daltonov atomski model.

Atomski model Dirac Jordan.

Atomski model Democritusa.

Bohrov atomski model.

Sommerfeldov atomski model.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. Tečaj HSC. Fizika 2. Jacaranda HSC Znanost.
2. Arfken, G. 1984. Univerzitetna fizika. Akademski tisk.
3. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
5. Wikipedija. Thomson-ov atomski model. Pridobljeno: es.wikipedia.org.