Model atomu Thomsona: opis i refutacja
Model atomu Thomsona - jeden z najwcześniejszych modeli struktura atomu następnie uznał niewypłacalny. Pierwszy zaproponowany przez DD. Thomson w 1904 r., Krótko po odkryciu elektronów, ale przed odkryciem jądra atomowego.
Prehistoria
W 1897 roku wydarzyło się znaczące wydarzenie w fizyce: Thompson Joseph John odkrył elektrony, tym samym eksperymentalnie potwierdzając założenie, że atom nie jest "monolityczną" cząstką. Nie było jednak dokładnego pojęcia, czym są cząstki elementarne. Dopiero w 1911 r. Zaprezentowany zostanie dokładniejszy model atomu Rutherforda, a wcześniej świat naukowy gorączkowo zmagał się z "tajemnicą stulecia".
Wyszukaj odpowiedź
Po serii eksperymentów okazało się, że elektrony są naładowane ujemnie, a tymczasem już wiadomo było, że atomy mają ładunek obojętny. Thomson rozsądnie zasugerował, że atom powinien mieć pewne źródło dodatniego ładunku, aby zrekompensować negatyw ładunek elektronów.
Angielski fizyk przedstawił trzy możliwe mechanizmy interakcji w obrębie cząstek.
- W pierwszym modelu atomu Thomsona każdy ujemnie naładowany elektron utknął w dodatnio naładowanej cząstce, która podążała za nim wszędzie wewnątrz atomu.
- W drugim modelu elektrony obracają się wokół centralnego obszaru ładunku dodatniego, który ma taką samą wielkość jak wszystkie elektrony.
- W trzecim modelu elektrony zajmowały obszar przestrzeni, który sam był jednolitym dodatnim ładunkiem (często określanym jako "zupa" lub "chmura" ładunku dodatniego).
Naukowiec wybrał trzecią opcję - najbardziej prawdopodobną strukturę atomów.
Uwaga publiczna
Model atomu Thomsona z 1904 r. Opublikowano w marcowym wydaniu magazynu Philosophical Magazine, autorytatywnego czasopisma naukowego w Wielkiej Brytanii. Według autora atomy pierwiastków składają się z szeregu ujemnie naelektryzowanych ciałek (elektronów) zamkniętych w sferze jednolitej pozytywnej elektryzacji. Thomson porzucił swoją wcześniejszą hipotezę "mglistego atomu", w którym cząstki składały się z niematerialnych wirów.
Publikacja wzbudziła prawdziwe zainteresowanie środowiska naukowego. Nie miała jednak solidnych dowodów i dlatego została skrytykowana przez wielu autorytatywnych fizyków. Jednak odpowiadał on pomysłom i eksperymentalnym danym, które były wówczas znane.
Opis modelu
Wnikliwy i praktyczny naukowiec, Thomson oparł swój model atomowy na dobrze znanych danych eksperymentalnych. Propozycja pozytywnej wysokości opłaty odzwierciedla naturę jego naukowego podejścia do odkrycia, które stało się przewodnikiem dla przyszłych eksperymentów.
Zgodnie z tą teorią orbity elektronów wewnątrz modelu atomowego Thomsona ustabilizowały się przez to, że kiedy elektron oddalił się od środka dodatnio naładowanej kuli (chmury), był narażony na wzrastanie siły przyciągania. Ta siła przywraca elektronowi powrót, ponieważ zgodnie z prawem Gaussa, wewnątrz kuli występuje wyższe stężenie ładunku dodatniego. Zgodnie z modelem, elektrony mogły swobodnie obracać się w pierścieniach, które dodatkowo stabilizowane były interakcją między elektronami, a wartości spektroskopowe wyjaśniały różnice energii między poszczególnymi orbitami pierścienia.
Zgodnie z ideą tamtych czasów elektrony znajdowały się w dodatnio naładowanej kuli, jak rodzynki w cieście lub kawałki owoców w brytyjskim ulubionym deserze - puddingu śliwkowym. Dlatego pojęcie to jest również nazywane modelem "puddingowym" atomu.
Dylemat dotyczący niespójności
Wraz z gromadzeniem danych eksperymentalnych coraz wyraźniej obserwowano niespójność tej teorii. Thomson bezskutecznie próbował przerobić swój model, aby wyjaśnić niektóre z głównych linii widmowych zidentyfikowanych eksperymentalnie dla kilku elementów.
W 1909 r. Hans Geiger i Ernest Marsden pod kierunkiem profesora Ernest Rutherford przeprowadził eksperymenty z cienką warstwą złota, rozpraszając cząstki alfa na złotej folii. Dane były różne od oczekiwanych. W 1911 r. Rutherford, po wielu naradach, opublikował swoją własną koncepcję, nazwaną później modelem atomowym Rutherforda. Przyjął on obecność bardzo małego jądra o najsilniejszym ładunku dodatnim w centrum atomów złota, wystarczającą do pomieszczenia około stu elektronów.
Dalszy rozwój
Natychmiast po opublikowaniu wyników przez Rutherforda Antonius Van den Broek intuicyjnie zasugerował, że liczba atomowa elementu jest całkowitą liczbą jednostek ładunkowych obecnych w jego rdzeniu. Henry Mosley w 1913 r. Dostarczył dane niezbędne do udowodnienia propozycji Van den Bruck. Stwierdzono, że efektywny ładunek jądrowy odpowiada liczbie atomowej.
Ta praca posłużyła Nielsowi Bohrowi do stworzenia półklasycznego modelu atomów w 1913 roku. Przypomina interakcję luminarzy i planet w układzie słonecznym, ale tylko z ograniczeniami kwantowymi.
Wartość dla nauki
Model atomu Thomsona był impulsem do szybkiego rozwoju fizyki jądrowej. Pojęcie "puddingu śliwkowego" z jednym elektronem wykorzystał fizyk Arthur Erich Haas w 1910 roku do oszacowania wartości liczbowej stałej Plancka i promienia Bohra atomów wodoru. Praca Haasa została opublikowana trzy lata przed konkluzjami Nielsa Bohra. Należy zauważyć, że model Bohra zapewnia dość dokładne przewidywania dla systemów atomowych i jonowych mających jeden skuteczny elektron.
Ponadto teoria "budyń" pozwala określić optymalny rozkład ładunków o równych punktach na jednostce, zwany problemem Thomsona. Nawiasem mówiąc, system fizyczny ucieleśniony w problemie Thomsona jest szczególnym przypadkiem jednego z osiemnastu nierozwiązanych problemów matematycznych zaproponowanych przez matematyka Steve'a Smale'a - "Dystrybucja punktów w dwuwymiarowej sferze".
Problem Thomsona jest naturalną konsekwencją modelu "belkowania" w przypadku braku jednolitego dodatniego ładunku tła. Interakcje elektrostatyczne elektronów ograniczonych przez sferyczne kropki kwantowe są również analogiczne do ich przetwarzania w modelu atomowym Thomsona. W tym klasycznym problemie kropka kwantowa jest modelowana jako prosta kula dielektryczna (zamiast jednorodnej, dodatnio naładowanej kuli, tak jak w modelu "budki wiązki"), w której występują wolne lub nadmiarowe elektrony.