Az atom Thomson-modellje

A Thomson-modell (néha " puding atommodellnek " is nevezik) az atom modellje, amelyet 1904-ben Joseph John Thomson [1] javasolt . Nem sokkal az elektron felfedezése után , de még az atommag felfedezése előtt a modell megpróbálta megmagyarázni az atomok két akkoriban ismert tulajdonságát: azt, hogy az elektronok negatív töltésű részecskék, és hogy az atomoknak nincs nettó elektromos töltése. A mazsolapuding modellben elektronok vesznek körül pozitív töltésű térfogatot, mint a negatív töltésű "mazsolák", amelyek egy pozitív töltésű "pudingba" vannak ágyazva.

Történelem

Ebben a modellben ismert volt, hogy az atomok negatív töltésű elektronokból állnak. Bár Thomson "testtesteknek" nevezte őket, gyakrabban "elektronoknak" nevezték őket, amelyeket J. J. Stoney "az elektromosság mennyiségének alapvető mértékegységeként" javasolt 1891-ben [2] . Abban az időben ismert volt, hogy az atomoknak nincs nettó elektromos töltése. Ennek magyarázatára Thomson tudta, hogy az atomoknak pozitív töltésforrással is kell rendelkezniük, hogy kiegyensúlyozzák az elektronok negatív töltését. Miután 1897-ben felfedezte az elektront , Thomson megépítette az atom modelljét, hogy megmagyarázza az akkori kísérleti tényeket:

• az atomok elektromosan semlegesek, és bármely atom, függetlenül a természetétől, tartalmaz elektronokat;
• az elektronok az atomok tömegéhez képest könnyűek, negatív töltésű, kis és egyenlő töltésű testek;
• az atomok gerjesztésekor csak bizonyos frekvenciákon sugároznak, és vonaloptikai spektrumokat generálnak.

A Philosophical Magazine -ban 1904 márciusában megjelent cikkében [3] Thomson három elfogadható lehetőséget vizsgált az atom lehetséges szerkezetére vonatkozóan, elmagyarázva annak elektromos semlegességét és egyéb tulajdonságait:

• Minden negatív töltésű elektron párosul egy feltételezett pozitív töltésű részecskével, és ez a pár az atom belsejében vándorol.
• A negatív töltésű elektronok az atom közepén koncentrált pozitív töltésű régió körül keringenek, abszolút értékben megegyezik az atom összes elektronjának teljes töltésével.
• Az elektronok a gömbön belül mindenhol egyenlő töltéssűrűségű pozitív töltésű gömbfelhőbe merülnek , ahol szabadon mozoghatnak.

Thomson ebben a cikkben azt javasolta, hogy az atom szerkezete a harmadik modell szerint a legvalószínűbb. Ugyanebben a cikkben Thomson elutasítja az atom szerkezetének korábban általa javasolt „örvény” modelljét. Thomson az elektronokat "töltött testnek" nevezi, bár 1894-ben J. J. Stoney ugyanabban a folyóiratban megjelent cikkében azt javasolta, hogy "elektromos atomokat" elektronoknak nevezzenek [4] .

Thomson írta:

…az elemek atomjai több negatív töltésű testből állnak, amelyek egy gömbbe vannak zárva, egyenletes eloszlású pozitív elektromos töltéssel…

Az atom pudingmodelljének előmozdításával Thomson feladta korábbi, 1890-es „köd atom” hipotézisét, amely az örvények atomelméleten alapult, melyben az atomok anyagtalan örvényekből álltak. Felvetette, hogy hasonlóság van az örvények elrendezése és a kémiai elemek közötti periodikus szabályosság között [5] . Az atom legalább egy része mikroszkopikus negatív töltésű Thomson-testekből állt, bár az atom többi pozitív töltésű része még mindig meglehetősen homályos és rosszul meghatározott volt. Az agyafúrt és gyakorlatias tudós, Thomson az akkori ismert kísérleti adatokra alapozta atommodelljét. A pozitív tértöltésre tett javaslata a felfedezés tudományos megközelítésének természetét tükrözi, amely az volt, hogy ötleteket kínáljon a jövőbeli kísérletekhez.

Modell leírás

Az atom Thomson szerint egy pozitív töltésű "levesben" elhelyezett elektronokból áll, amely kompenzálja az elektronok elektromosan negatív töltéseit, átvitt értelemben - mint a negatív töltésű " mazsolák " egy pozitív töltésű " pudingban ". Az elektronoknak a teljes atom térfogatában kellett eloszlaniuk. Az atomon belüli elektronok lehetséges elrendezésének több változatát is figyelembe vették, különösen az elektronok forgó gyűrűk formájában történő csoportosítását. A modell egyes változataiban az egyenletes töltésű felhő helyett egy változó sűrűségű, gömbszimmetrikus töltésű "felhőt" javasoltak.

E modell szerint az elektronok szabadon foroghatnak egy ilyen pozitív töltésű anyag cseppjében vagy felhőjében. Az atomon belüli pályájukat az stabilizálta, hogy amikor egy elektron eltávolodik egy pozitív töltésű felhő középpontjától, megnő a vonzási ereje a felhő középpontja felé, és visszaadja azt, mivel több anyag volt. pályáján belül ellentétes töltés, mint kívül (az elektrosztatikus Gauss-tétel szerint ), és az egyenletes töltésű gömbfelhő középpontjához ható erő vonzása egyenesen arányos a középpontjától való távolsággal.

Thomson modelljében az elektronok szabadon foroghattak a gyűrűpályákon, amelyeket az elektronok közötti kölcsönhatások stabilizáltak, a vonalspektrumokat pedig a különböző gyűrűpályákon való mozgás energiakülönbsége magyarázza.

Thomson később modellje segítségével próbálta megmagyarázni egyes kémiai elemek fényes spektrumvonalait, de ebben nem járt különösebben.

Azonban Thomson modellje (valamint a Szaturnusz-gyűrűk hasonló modellje az atomok elektronjaira vonatkozóan, amelyet Nagaoka szintén 1904-ben terjesztett elő, James Clerk Maxwell Szaturnusz gyűrűinek modelljével analógiaként ) a későbbi és újabb modellek korai előfutára lett. sikeres Bohr-modell , amely az atomot mint naprendszert ábrázolja.

A gömb alakú kvantumpontokra korlátozódó elektronok klasszikus elektrosztatikus feldolgozása szintén hasonló a pudingmodellben végzett feldolgozásukhoz [6] [7] .

Thomson modelljét a brit desszerthez, a mazsolapudinghoz hasonlították (de nem magát) , innen ered a modell neve.

A Thomson-modell kísérleti cáfolata

Thomson 1904-es atommodelljét az 1909 -es, aranyfólián végzett alfa-részecskeszórási kísérlet cáfolta , amelyet Ernest Rutherford elemzett 1911-ben [8] [9] , aki azt sugallta, hogy az atomnak nagyon kicsi magja van, amely nagyon nagy pozitív töltést tartalmaz. (az arany esetében elég ahhoz, hogy kompenzálja a körülbelül 100 elektron töltését), ami Rutherford atom bolygómodelljéhez vezetett. Bár az arany rendszáma 79, Antonius van den Broek közvetlenül Rutherford dolgozatának 1911-es [10] [11] megjelenése után azt az intuitív feltevést terjesztette elő, hogy a rendszám az atommag töltése, elemi egységekben kifejezve. díj.

Ennek a hipotézisnek a megerősítéséhez kísérletre volt szükség. 1913-ban Henry Moseley kísérletileg kimutatta (lásd Moseley törvényét ), hogy az atommag töltése az elemi töltésekben nagyon közel van az atomszámhoz (a Moseley által talált kísérleti eltérés nem volt több egynél), és Moseley csak a Van den Broek és Rutherford. Ez a munka végül elvezetett ugyanabban az évben a naprendszerhez hasonló (de kvantumkorlátozásokkal) Bohr atommodell létrehozásához, amelyben az atomszámmal egyenlő pozitív töltésű atommagot azonos számú atom vesz körül. elektronok pályarétegeiben.

A Thomson-modell mérlegelésekor a matematikai fizika egy máig megoldatlan problémája fogalmazódott meg  – sok, legalacsonyabb potenciális energiájú töltés konfigurációjának megtalálása a gömbön – a Thomson-probléma [12] .

Jegyzetek

1. ↑ Szilvapuding modell , Universe Today  (2009. augusztus 27.). Az eredetiből archiválva : 2018. július 30. Letöltve: 2015. december 19.
2. ↑ O'Hara, JG George Johnstone Stoney, FRS, és az elektron fogalma  // A Londoni Királyi Társaság  feljegyzései és feljegyzései : folyóirat. - Royal Society, 1975. - március ( 29. kötet , 2. szám ). - 265-276 . o . - doi : 10.1098/rsnr.1975.0018 . — .
3. ↑ JJ Thomson. Az atom szerkezetéről: a kör kerülete körül egyenlő távolságra elhelyezkedő testtestek stabilitásának és rezgési periódusainak vizsgálata; Az eredmények alkalmazása az atomszerkezet elméletére  (angol)  // Filozófiai Magazin Series 6 : folyóirat. - 1904. - Kt. 7 , sz. 39 . - 237. o . - doi : 10.1080/14786440409463107 .
4. ↑ GJ Stoney,. Az "elektron" vagy az elektromosság atomja (neopr.)  // Filozófiai Magazin , 5. sorozat - 1894. - V. 38 . - S. 418-420 .  
5. ↑ Kragh, Helge. Kvantumgenerációk: A fizika története a huszadik században  (angolul) . — Reprint. — Princeton University Press , 2002. — ISBN 978-0691095523 .
6. ↑ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. Sokelektronos mesterséges atomok  (angol)  // Physical Review B  : Journal. - 1999. - 1. évf. 59 , sz. 20 . - P. 13036-13042 . - doi : 10.1103/PhysRevB.59.13036 . - .
7. ↑ LaFave, T., Jr. Megfelelések a klasszikus elektrosztatikus Thomson-probléma és az atomi elektronszerkezet között  (angol)  // J. Electrostatics : Journal. - 2013. - Kt. 71 , sz. 6 . - P. 1029-1035 . - doi : 10.1016/j.elstat.2013.10.001 . - arXiv : 1403.2591 .
8. ↑ Joseph A. Angelo. Nukleáris technológia (határozatlan idejű) . - Greenwood Publishing Group , 2004. - ISBN 1-57356-336-6 .  
9. ↑ Akhlesh Lakhtakia (Szerk.). A hidrogén modelljei és modellezői  (határozatlan idejű) . - World Scientific, 1996. - ISBN 981-02-2302-1 .
10. ↑ Angelo, Joseph A. Nukleáris technológia  . - Greenwood Publishing , 2004. -  110. o . — ISBN 978-1-57356-336-9 .
11. ↑ Salpeter, Edwin E. A hidrogén modelljei és modellezői  (meghatározatlan) / Lakhtakia, Akhlesh. - World Scientific , 1996. - T. 65. - S. 933-934. - ISBN 978-981-02-2302-1 . - doi : 10,1119/1,18691 .
12. ↑ Levin, Y.; Arenzon, JJ Miért kerülnek a töltések a felszínre: általánosított Thomson-probléma   // Europhys . Lett.  : folyóirat. - 2003. - 1. évf. 63 . - P. 415-418 . - doi : 10.1209/epl/i2003-00546-1 . - Iránykód . - arXiv : cond-mat/0302524 .

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Britannica (online)