АТОМНИЯТ МОДЕЛ НА ТОМСЪН: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОСТУЛАТИ, СУБАТОМНИ ЧАСТИЦИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Най- атомен модел на Thomson е създаден от JJ знаменития английски физик Thomson, който е открил на електрона. За това откритие и работата си по електрическата проводимост в газовете е удостоен с Нобеловата награда по физика от 1906 г.

От работата му с катодни лъчи стана ясно, че атомът не е неделимо цяло, както Далтън е постулирал в предходния модел, но съдържа добре дефинирана вътрешна структура.

Томсън направи модел на атома въз основа на резултатите от експериментите си с катодни лъчи. В него той заяви, че електрически неутралният атом е съставен от положителни и отрицателни заряди с еднаква величина.

Как се наричаше атомният модел на Thomson и защо?

Според Томсън положителният заряд е бил разпределен в целия атом, а отрицателните заряди са вградени в него, сякаш са стафиди в пудинг. От това сравнение произлиза терминът „пудинг със стафиди“, тъй като моделът беше неофициално известен.

Джоузеф Джон Томсън

Въпреки че идеята на Томсън изглежда доста примитивна днес, по времето, когато представляваше принос на романа. През краткия живот на модела (от 1904 до 1910 г.) той е имал подкрепата на много учени, въпреки че много други го смятат за ерес.

Накрая през 1910 г. се появяват нови доказателства за атомната структура и моделът на Томсън бързо пада настрани. Това се случи веднага щом Ръдърфорд публикува резултатите от своите експерименти с разсейване, които разкриха съществуването на атомното ядро.

Въпреки това моделът на Томсън е първият, който постулира съществуването на субатомни частици и резултатите от него са плод на фини и строги експерименти. По този начин той постави прецедента за всички последвали открития.

Характеристики и постулати на модела на Томсън

Томсън стигна до своя атомен модел въз основа на няколко наблюдения. Първият беше, че наскоро откритите от Рентген рентгенови лъчи са способни да йонизират молекулите на въздуха. Дотогава единственият начин за йонизиране беше чрез химическо разделяне на йони в разтвор.

Но английският физик успява успешно да йонизира дори монотомични газове, като хелий, с помощта на рентгенови лъчи. Това го накара да повярва, че зарядът вътре в атома може да бъде отделен и че следователно не е неделим. Той също наблюдава, че катодните лъчи те биха могли да бъдат отклонени от електрически и магнитни полета.

Джей Джей Томсън, откривател на електрона. Източник: Lifeder

Така Томсън създаде модел, който правилно обясни факта, че атомът е електрически неутрален и че катодните лъчи са съставени от отрицателно заредени частици.

Използвайки експериментални доказателства, Томсън характеризира атома по следния начин:

-Атомът е електрически неутрална твърда сфера, с приблизителен радиус 10 ^-10 m.

-Положителният заряд се разпределя повече или по-малко равномерно в цялата сфера.

-Атомът съдържа отрицателно заредени "корпускули", които осигуряват неговата неутралност.

-Тези корпускули са еднакви за цялата материя.

-Когато атомът е в равновесие, има n корпускули, редовно подредени в пръстени в сферата на положителния заряд.

-Масата на атома е равномерно разпределена.

Катодни лъчи

Лъчът от електрони се насочва от катода към анода.

Томсън извършва експериментите си, като използва катодни лъчи, открити през 1859 г. Катодните лъчи са снопове от отрицателно заредени частици. За производството им се използват вакуумни стъклени тръби, в които са поставени два електрода, наречени катод и анод.

След това се предава електрически ток, който загрява катода, който по този начин излъчва невидимо лъчение, което е насочено директно към противоположния електрод.

За откриване на радиация, която не е нищо друго освен катодните лъчи, стената на тръбата зад анода е покрита с флуоресцентен материал. Когато радиацията достигне до там, стената на тръбата излъчва интензивна светимост.

Ако твърд предмет попадне на пътя на катодните лъчи, той хвърля сянка върху стената на тръбата. Това показва, че лъчите пътуват по права линия, а също и че могат лесно да бъдат блокирани.

Природата на катодните лъчи беше широко обсъждана, тъй като тяхната природа беше неизвестна. Някои смятали, че са вълни от електромагнитен тип, докато други твърдят, че са частици.

Субатомни частици от атомния модел на Томсън

Както казахме, атомният модел на Thomson е първият, който постулира съществуването на субатомни частици. Корпусите на Томсън не са нищо друго освен електрони, основните отрицателно заредени частици на атома.

Вече знаем, че другите две основни частици са положително зареденият протон и незарядният неутрон.

Но те не са открити по времето, когато Томсън разработва своя модел. Положителният заряд в атома е бил разпределен в него, той не е имал предвид нито една частица, която да носи този заряд и в момента няма данни за неговото съществуване.

Поради тази причина неговият модел имаше мимолетно съществуване, тъй като в течение на няколко години експериментите на Ръдърфорд за разсейване проправиха пътя за откриването на протона. А що се отнася до неутрона, самият Ръдърфорд предложи съществуването му няколко години преди окончателното му откриване.

Crookes тръба

Сър Уилям Кроукс (1832-1919) проектира тръбата, която носи неговото име около 1870 г., с намерението внимателно да проучи природата на катодните лъчи. Той добавя електрически и магнитни полета и наблюдава, че лъчите са отклонени от тях.

Схема на тръбата с катодни лъчи. Източник: Найт, Р.

По този начин Крукс и други изследователи, включително Томсън, открили, че:

1. В тръбата на катодния лъч се генерира електрически ток
2. Лъчите се отклоняваха от наличието на магнитни полета, по същия начин, както бяха отрицателно заредените частици.
3. Всеки метал, използван за направата на катода, е бил еднакво добър при производството на катодни лъчи и тяхното поведение е било независимо от материала.

Тези наблюдения подхранват дискусията за произхода на катодните лъчи. Тези, които поддържаха, че са вълни, се основаваха на факта, че катодните лъчи могат да пътуват по права линия. В допълнение, тази хипотеза обяснява много добре сянката, че един намесен твърд предмет се хвърля върху стената на тръбата и при определени обстоятелства се знае, че вълните могат да причинят флуоресценция.

Но вместо това не се разбра как е възможно магнитните полета да отклоняват катодните лъчи. Това може да се обясни само ако тези лъчи се считат за частици, хипотеза, която Томсън споделя.

Заредени частици в еднакви електрически и магнитни полета

Заредена частица със заряд q изпитва сила Fe в средата на еднообразно електрическо поле E с величина:

Fe = qE

Когато заредена частица перпендикулярно преминава през равномерно електрическо поле, като например това, което се получава между две плочи с противоположни заряди, то изпитва отклонение и следователно ускорение:

qE = ma

a = qE / m

От друга страна, ако заредената частица се движи със скорост с величина v, в средата на еднородно магнитно поле с величина В, магнитната сила Fm, която изпитва, има следната интензивност:

Fm = qvB

Стига векторите за скорост и магнитно поле да са перпендикулярни. Когато заредена частица е перпендикулярна на хомогенно магнитно поле, тя също претърпява отклонение и движението й е равномерно кръгово.

Центропеталното ускорение a _c в този случай е:

qvB = ma _c

На свой ред, центростремителното ускорение е свързано със скоростта на частицата v и радиуса R на кръговия път:

a _c = v ² / R

По този начин:

qvB = mv ² / R

Радиусът на кръговата пътека може да се изчисли, както следва:

R = mv / qB

По-късно тези уравнения ще бъдат използвани за пресъздаване на начина, по който Томсън извежда съотношението заряд-маса на електрона.

Експериментът на Томсън

Томсън премина лъч от катодни лъчи, лъч от електрони, макар че още не го знаеше, чрез еднообразни електрически полета. Тези полета са създадени между две заредени проводими плочи, разделени на малко разстояние.

Той също преминава катодни лъчи през еднородно магнитно поле, наблюдавайки ефекта, който това има върху лъча. В едното поле, както и в другото, имаше отклонение в лъчите, което накара Томсън да си помисли правилно, че лъчът е съставен от заредени частици.

За да потвърди това, Thomson проведе няколко стратегии с катодни лъчи:

1. Той варира електрическите и магнитните полета, докато силите не се отменят. По този начин катодните лъчи преминават през, без да изпитват отклонение. Изравнявайки електрическите и магнитните сили, Томсън успя да определи скоростта на частиците в лъча.
2. Той анулира интензивността на електрическото поле, като по този начин частиците следват кръгов път в средата на магнитното поле.
3. Той комбинира резултатите от стъпки 1 и 2, за да определи връзката между заряда и масата на „корпускулите“.

Съотношението заряд-маса на електрона

Томсън определи, че съотношението на заряда и масата на частиците, съставляващи катодния лъч, има следната стойност:

q / m = 1.758820 x 10 11 C.kg-1.

Където q представлява заряда на "корпускула", който всъщност е електронът, а m е неговата маса. Томсън следваше описаната в предишния раздел процедура, която пресъздаваме тук стъпка по стъпка, с уравненията, които използва.

Когато катодните лъчи преминават през кръстосаните електрически и магнитни полета, те преминават без отклонение. Когато електрическото поле се анулира, те удрят горната част на тръбата (магнитното поле се обозначава със сините точки между електродите). Източник: Найт, Р.

Етап 1

Изравнете електрическата и магнитната сила, преминавайки лъча през перпендикулярните електрически и магнитни полета:

qvB = qE

Стъпка 2

Определете скоростта, получена от частиците в лъча, когато преминават директно без отклонение:

v = E / B

Стъпка 3

Отменете електрическото поле, оставяйки само магнитното поле (сега има отклонение):

R = mv / qB

С v = E / B се получава:

R = mE / qB ²

Радиусът на орбитата може да бъде измерен, следователно:

q / m = v / RB

О, добре:

q / m = E / RB ²

Следващи стъпки

Следващото нещо, което Томсън направи, беше да измери съотношението q / m, използвайки катоди, направени от различни материали. Както беше споменато по-горе, всички метали излъчват катодни лъчи с идентични характеристики.

Тогава Томсън сравнява техните стойности с тези на съотношението q / m на водородния йон, получени чрез електролиза и чиято стойност е приблизително 1 x 10 ⁸ C / kg. Съотношението зарядна маса на електрона е приблизително 1750 пъти по-голямо от това на водородния йон.

Следователно катодните лъчи имат много по-голям заряд или може би маса много по-малка от тази на водородния йон. Водородният йон е просто протон, за съществуването на който стана известно дълго след експериментите на Ръдърфорд за разсейване.

Днес е известно, че протона е почти 1800 пъти по-масивен от електрона и със заряд с еднаква величина и противоположен знак на този на електрона.

Друга важна подробност е, че с експериментите на Томсън електричният заряд на електрона не е определен директно, нито стойността на неговата маса отделно. Тези стойности са определени от експериментите с Миликан, които започват през 1906 г.

Разлики в модела на Thomson и Dalton

Основната разлика на тези два модела е, че Далтън смяташе, че атомът е сфера. Противно на Томсън, той не предлага наличието на положителни или отрицателни обвинения. За Далтън един атом изглеждаше така:

Атом на Далтън

Както вече видяхме, Томсън смяташе, че атомът е делим и чиято структура е формирана от положителна сфера и електрони около него.

Недостатъци и ограничения на модела

По това време атомният модел на Thomson успя да обясни много добре химичното поведение на веществата. Той също така точно обясни феномените, възникнали в тръбата на катодната лъч.

Но всъщност Томсън дори не нарече частиците си „електрони“, въпреки че терминът вече е въведен преди това от Джордж Джонстоун Стоуни. Томсън просто ги нарече „корпускули“.

Въпреки че Томсън се е възползвал от всички знания, с които разполага по това време, има няколко важни ограничения в неговия модел, които станаха очевидни много рано:

- Положителният заряд не се разпределя в целия атом. Експериментите за разсейване на Ръдърфорд показаха, че положителният заряд на атома задължително се ограничава до малък участък на атома, който по-късно става известен като атомното ядро.

- Електроните имат специфично разпределение в рамките на всеки атом. Електроните не са равномерно разпределени, подобно на стафидите в известния пудинг, а вместо това имат разположение в орбитали, което по-късните модели разкриха.

Именно подреждането на електроните в атома позволява елементите да бъдат организирани по техните характеристики и свойства в периодичната таблица. Това беше важно ограничение на модела на Thomson, което не можеше да обясни как е възможно да се поръчат елементи по този начин.

- Атомното ядро ​​е това, което съдържа по-голямата част от масата. Моделът на Томсън постулира, че масата на атома е равномерно разпределена вътре в него. Но днес знаем, че масата на атома практически е концентрирана в протоните и неутроните на ядрото.

Важно е също да се отбележи, че този модел на атома не позволява да се направи извода за типа движение, което електроните имат в атома.

Предмети за интерес

Атомен модел на Шрьодингер.

Атомен модел на Де Бройл.

Атомен модел на Чадуик.

Атомен модел на Хайзенберг.

Атомен модел на Перин.

Атомен модел на Далтън.

Атомен модел Dirac Jordan.

Атомен модел на Демокрит.

Атомен модел на Бор.

Атомен модел на Сомерфелд.

Препратки

1. Андрисен, М. 2001. HSC курс. Физика 2. Джакаранда HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Университетска физика. Академична преса.
3. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
4. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън.
5. Wikipedia. Атомен модел на Томсън. Възстановено от: es.wikipedia.org.