Thomsonin malli atomista

Thomson-malli (jota joskus kutsutaan myös " vanukasatomimalliksi ") on Joseph John Thomsonin vuonna 1904 ehdottama malli atomista [1] . Pian elektronin löytämisen jälkeen , mutta jo ennen atomiytimen löytämistä , malli yritti selittää kahta silloin tunnettua atomien ominaisuutta: että elektronit ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia ja että atomeilla ei ole nettosähkövarausta. Rusinavanukasmallissa on elektroneja, joita ympäröi positiivinen varaustilavuus, kuten negatiivisesti varautuneet "rusinat", jotka on upotettu positiivisesti varautuneeseen "vanukas".

Historia

Tässä mallissa tiedettiin, että atomit koostuvat negatiivisesti varautuneista elektroneista. Vaikka Thomson kutsui niitä "korpuskkeleiksi", niitä kutsuttiin yleisemmin "elektroneiksi", joita J. J. Stoney ehdotti "sähkön määrän perusyksiköksi" vuonna 1891 [2] . Tuolloin tiedettiin, että atomeilla ei ollut nettosähkövarausta. Tämän selittämiseksi Thomson tiesi, että atomeilla on oltava myös positiivisen varauksen lähde, jotta ne tasapainottaisivat elektronien negatiivisen varauksen. Kun Thomson löysi elektronin vuonna 1897 , hän rakensi atomin mallin selittääkseen tuolloin vahvistetut kokeelliset tosiasiat:

• atomit ovat sähköisesti neutraaleja ja kaikki atomit, niiden luonteesta riippumatta, sisältävät elektroneja;
• elektronit ovat kevyitä suhteessa atomien massoihin, negatiivisesti varautuneita soluja, joilla on pieni ja yhtä suuri varaus;
• Kun atomit viritetään, ne säteilevät vain tietyillä taajuuksilla, jolloin syntyy viivaoptisia spektrejä.

Maaliskuussa 1904 Philosophical Magazinessa julkaistussa artikkelissa [3] Thomson tarkasteli kolmea uskottavaa vaihtoehtoa atomin mahdolliselle rakenteelle selittäen sen sähköisen neutraaliuden ja muita ominaisuuksia:

• Jokainen negatiivisesti varautunut elektroni on paritettu hypoteettisen positiivisesti varautuneen hiukkasen kanssa, ja tämä pari vaeltelee atomin sisällä.
• Negatiivisesti varautuneet elektronit pyörivät positiivisen varauksen alueen ympärillä, joka on keskittynyt atomin keskelle ja joka on absoluuttisesti yhtä suuri kuin atomin kaikkien elektronien kokonaisvaraus.
• Elektronit upotetaan pallomaiseen positiivisen varauksen pilveen, jonka varaustiheys on sama kaikkialla tämän pallon sisällä, missä ne voivat liikkua vapaasti.

Thomson ehdotti tässä artikkelissa, että atomin rakenne kolmannen mallin mukaan on todennäköisin. Samassa artikkelissa Thomson torjuu aiemmin ehdottamansa "pyörre"-mallin atomin rakenteesta. Thomson kutsuu elektroneja "varautuneiksi soluiksi", vaikka vuonna 1894 J. J. Stoney ehdotti samassa lehdessä julkaistussa artikkelissa "sähköatomeja" elektroneiksi [4] .

Thomson kirjoitti:

...alkuaineiden atomit koostuvat useista negatiivisesti varautuneista soluista, jotka on suljettu pallon sisällä, jossa on tasaisesti jakautunut positiivinen sähkövaraus...

Edistämällä atomin vanukasmallia, Thomson hylkäsi aikaisemman "sumuatomi"-hypoteesin vuodelta 1890, joka perustui pyörteiden atomiteoriaan, jossa atomit koostuivat aineettomista pyörteistä. Hän ehdotti, että pyörteiden järjestelyn ja kemiallisten alkuaineiden jaksollisen säännöllisyyden välillä on samankaltaisuutta [5] . Nyt ainakin osa atomista koostui mikroskooppisista negatiivisesti varautuneista Thomson-soluista, vaikka loput atomin positiivisesti varautuneesta osasta oli vielä melko epämääräistä ja huonosti määriteltyä. Älykäs ja käytännöllinen tiedemies Thomson perusti atomimallinsa sen ajan tunnettuihin kokeellisiin tietoihin. Hänen ehdotuksensa positiivisesta avaruusvarauksesta kuvastaa hänen tieteellisen lähestymistapansa luonnetta löytöihin, jonka tarkoituksena oli tarjota ideoita tulevia kokeita varten.

Mallin kuvaus

Atomi koostuu Thomsonin mukaan elektroneista, jotka on sijoitettu positiivisesti varautuneeseen "keittoon", joka kompensoi elektronien sähköisesti negatiivisia varauksia, kuvaannollisesti - kuten negatiivisesti varautuneita " rusinoita " positiivisesti varautuneessa " vanukassa ". Elektronien piti jakautua koko atomin tilavuuteen. Useita muunnelmia mahdollisesta elektronien järjestelystä atomin sisällä tarkasteltiin, erityisesti elektronien ryhmittelyä pyörivien renkaiden muodossa. Joissakin mallin versioissa tasaisesti varautuneen pilven sijasta ehdotettiin "pilveä", jossa on pallosymmetrinen varaus vaihtelevalla tiheydellä.

Tämän mallin mukaan elektronit voisivat pyöriä vapaasti tällaisen positiivisesti varautuneen aineen pisarassa tai pilvessä. Niiden kiertoradat stabiloituivat atomin sisällä sillä tosiasialla, että kun elektroni siirtyy pois positiivisesti varautuneen pilven keskustasta, sen vetovoima lisääntyy pilven keskustaan ​​ja palauttaa sen takaisin, koska ainetta oli enemmän. vastakkaisen varauksen kiertoradan sisällä kuin sen ulkopuolella ( sähköstaattisen Gaussin lauseen mukaan ) ja voiman vetovoima tasaisesti varautuneen pallomaisen pilven keskustaan ​​on suoraan verrannollinen etäisyyteen sen keskustaan.

Thomsonin mallissa elektronit saattoivat pyöriä vapaasti rengasradoilla, jotka stabiloituivat elektronien välisillä vuorovaikutuksilla, ja viivaspektrit selitettiin energiaerolla liikkuessaan eri rengasradoilla.

Thomson yritti myöhemmin selittää joidenkin kemiallisten alkuaineiden kirkkaita spektriviivoja mallillaan, mutta ei onnistunut tässä erityisen hyvin.

Kuitenkin Thomsonin malli (sekä samanlainen malli Saturnuksen renkaista atomien elektroneille, jonka Nagaoka esitti myös vuonna 1904 , analogisesti James Clerk Maxwellin Saturnuksen renkaiden mallin kanssa ) tuli varhainen edelläkävijä myöhempien ja enemmän. onnistunut Bohrin malli , joka edustaa atomia aurinkokunnan kaltaisena.

Myös pallomaisiin kvanttipisteisiin rajoittuneiden elektronien klassinen sähköstaattinen käsittely on samanlainen kuin niiden käsittely vanukasmallissa [6] [7] .

Thomsonin mallia on verrattu (mutta ei häntä itseään) brittiläiseen jälkiruokaan, rusinavanukas , mistä tämä malli on saanut nimensä.

Thomsonin mallin kokeellinen kumoaminen

Thomsonin vuoden 1904 atomimalli kumottiin vuoden 1909 alfahiukkasten sirontakokeessa kultakalvolla , jonka Ernest Rutherford analysoi vuonna 1911 [8] [9] , joka ehdotti, että atomissa on hyvin pieni ydin, joka sisältää erittäin suuren positiivisen varauksen. (kullan tapauksessa tarpeeksi kompensoimaan noin 100 elektronin varauksen), mikä johti Rutherfordin planeettamalliin atomista . Vaikka kullan atomiluku on 79, Antonius van den Broek esitti välittömästi Rutherfordin artikkelin julkaisun jälkeen vuonna 1911 [10] [11] intuitiivisen oletuksen, että atomiluku on ytimen varaus, ilmaistuna alkeisyksiköissä. veloittaa.

Tämän hypoteesin vahvistamiseksi tarvittiin koe. Henry Moseley osoitti vuonna 1913 kokeellisesti (katso Moseleyn laki ), että ytimen varaus alkuainevarauksissa on hyvin lähellä atomilukua (Moseleyn löytämä kokeellinen poikkeama ei ollut suurempi kuin yksi), ja Moseley viittasi vain Van den Broek ja Rutherford. Tämä työ johti lopulta aurinkokunnan kaltaisen (mutta kvanttirajoittein) Bohrin atomimallin luomiseen samana vuonna, jossa ydintä, jonka positiivinen varaus on yhtä suuri kuin atomiluku, ympäröi yhtä suuri määrä elektroneista kiertoradan kerroksissa.

Thomsonin mallia tarkasteltaessa muotoiltiin vielä ratkaisematon matemaattisen fysiikan ongelma  - monien pienimmän potentiaalienergian omaavien varausten konfiguraation löytäminen pallolla - Thomsonin ongelma [12] .

Muistiinpanot

1. ↑ Plum Pudding Model , Universe Today  (27. elokuuta 2009). Arkistoitu alkuperäisestä 30. heinäkuuta 2018. Haettu 19. joulukuuta 2015.
2. ↑ O'Hara, JG George Johnstone Stoney, FRS ja elektronin käsite  // Lontoon kuninkaallisen seuran  muistiinpanot ja levyt : päiväkirja. - Royal Society, 1975. - Maaliskuu ( osa 29 , nro 2 ). - s. 265-276 . - doi : 10.1098/rsnr.1975.0018 . — .
3. ↑ JJ Thomson. Atomin rakenteesta: Ympyrän kehän ympärille tasaisin väliajoin järjestetyn joukon kappaleiden stabiilisuuden ja värähtelyjaksojen tutkiminen; tulosten soveltaminen atomirakenteen teoriaan  (englanniksi)  // Philosophical Magazine Series 6 : Journal. - 1904. - Voi. 7 , ei. 39 . - s. 237 . - doi : 10.1080/14786440409463107 .
4. ↑ GJ Stoney,. "Elektronista" tai sähköatomista (uuspr.)  // Filosofinen aikakauslehti , sarja 5. - 1894. - V. 38 . - S. 418-420 .  
5. ↑ Kragh, Helge. Kvanttisukupolvet: Fysiikan historia 20. vuosisadalla  (englanniksi) . - Uusintapainos. — Princeton University Press , 2002. — ISBN 978-0691095523 .
6. ↑ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. Monet-electron keinotekoiset atomit  (englanniksi)  // Physical Review B  : Journal. - 1999. - Voi. 59 , ei. 20 . - P. 13036-13042 . - doi : 10.1103/PhysRevB.59.13036 . - .
7. ↑ LaFave, T., Jr. Klassisen sähköstaattisen Thomson-ongelman ja atomielektronirakenteen vastaavuudet  (englanniksi)  // J. Electrostatics : Journal. - 2013. - Vol. 71 , no. 6 . - s. 1029-1035 . - doi : 10.1016/j.elstat.2013.10.001 . - arXiv : 1403.2591 .
8. ↑ Joseph A. Angelo. Ydinteknologia (määrittämätön) . - Greenwood Publishing Group , 2004. - ISBN 1-57356-336-6 .  
9. ↑ Akhlesh Lakhtakia (Toim.). Vedyn mallit ja mallintajat  (määrittämätön) . - World Scientific, 1996. - ISBN 981-02-2302-1 .
10. ↑ Angelo, Joseph A. Ydintekniikka  . - Greenwood Publishing , 2004. - S.  110 . — ISBN 978-1-57356-336-9 .
11. ↑ Salpeter, Edwin E. Vedyn mallit ja  mallintajat (määrittelemätön) / 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 Miksi maksut menevät pintaan: yleinen Thomson-ongelma   // Europhys . Lett.  : päiväkirja. - 2003. - Voi. 63 . - s. 415-418 . - doi : 10.1209/epl/i2003-00546-1 . - . - arXiv : cond-mat/0302524 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri katalaani Britannica (verkossa)