THOMSONS ATOMMODEL: KARAKTERISTIKA, POSTULATER, SUBATOMÆRE PARTIKLER - FYSISK - 2025

Den atommodel af Thomson blev skabt af den berømte engelske fysiker JJ Thomson, der opdagede elektronen. For denne opdagelse og sit arbejde med elektrisk ledning i gasser blev han tildelt Nobelprisen i fysik fra 1906.

Fra hans arbejde med katodestråler blev det klart, at atomet ikke var en udelelig enhed, som Dalton havde postuleret i den foregående model, men indeholdt en veldefineret intern struktur.

Thomson lavede en model af atomet baseret på resultaterne af hans eksperimenter med katodestråler. I det sagde han, at det elektrisk neutrale atom var sammensat af positive og negative ladninger med samme størrelse.

Hvad blev Thomsons atommodel kaldet, og hvorfor?

Ifølge Thomson var den positive ladning fordelt over atomet, og de negative ladninger blev indlejret i det, som om de var rosiner i en budding. Fra denne sammenligning kom udtrykket "rosinbudding", som modellen var uformelt kendt.

Joseph John Thomson

Selvom Thomsons idé ser temmelig primitiv ud i dag, repræsenterede den på det tidspunkt et nyt bidrag. I løbet af modelens korte levetid (fra 1904 til 1910) havde den støtte fra mange videnskabsfolk, selvom mange andre betragtede det som kætteri.

Endelig i 1910 fremkom nye beviser for atomstruktur, og Thomsons model faldt hurtigt til siden. Dette skete, så snart Rutherford offentliggjorde resultaterne af hans spredningseksperimenter, som afslørede eksistensen af ​​atomkernen.

Thomsons model var imidlertid den første til at postulere eksistensen af ​​subatomære partikler, og dens resultater var frugten af ​​fin og streng eksperimentering. På denne måde satte han præcedens for alle de opdagelser, der fulgte.

Egenskaber og postulater af Thomson-modellen

Thomson ankom til sin atommodel baseret på flere observationer. Den første var, at røntgenstrålerne, der nyligt blev opdaget af Roentgen, var i stand til at ionisere luftmolekyler. Indtil da var den eneste måde at ionisere ved kemisk at adskille ioner i opløsning.

Men den engelske fysiker lykkedes med succes at ionisere endda monatomiske gasser som helium ved hjælp af røntgenstråler, hvilket fik ham til at tro, at ladningen inde i atomet kunne adskilles, og at det derfor ikke var udelelige. Han observerede også, at katodestråler de kan blive afbøjet af elektriske og magnetiske felter.

JJ Thomson, opdager af elektronet. Kilde: Lifeder.

Så Thomson udtænkte en model, der korrekt forklarede det faktum, at atomet er elektrisk neutralt, og at katodestråler er sammensat af negativt ladede partikler.

Ved hjælp af eksperimentelle beviser karakteriserede Thomson atomet som følger:

-Atomet er en elektrisk neutral fast kugle med en omtrentlig radius på ^10-10 m.

-Den positive ladning fordeles mere eller mindre ensartet over hele kuglen.

-Atomet indeholder negativt ladede "korpuskler", der sikrer dets neutralitet.

-Disse korpuskler er de samme for enhver sag.

-Når atomet er i ligevægt, er der n korpuskler regelmæssigt arrangeret i ringe inden for området med positiv ladning.

-Atomets masse er jævnt fordelt.

Katodestråler

Stråle af elektroner dirigeres fra katoden til anoden.

Thomson udførte sine eksperimenter ved hjælp af katodestråler, opdaget i 1859. Katodestråler er bundter af negativt ladede partikler. For at fremstille dem bruges vakuumglassrør, hvor to elektroder er placeret, kaldet katode og anode.

Derefter ledes en elektrisk strøm, der opvarmer katoden, som på denne måde udsender usynlig stråling, der ledes direkte til den modsatte elektrode.

For at detektere stråling, som ikke er andet end katodestråler, er væggen i røret bag anoden dækket med et lysstofrør. Når strålingen når der, afgiver rørets væg en intens lysstyrke.

Hvis en solid genstand kommer i vejen for katodestrålene, kaster den en skygge på rørets væg. Dette indikerer, at strålerne bevæger sig i en lige linje, og at de let kan blokeres.

Naturen af ​​katodestråler blev bredt diskuteret, da deres art var ukendt. Nogle troede, at de var bølger af elektromagnetisk type, mens andre hævdede, at de var partikler.

Subatomiske partikler fra Thomsons atommodel

Thomsons atommodel er som sagt den første til at postulere eksistensen af ​​subatomære partikler. Thomsons kropuskler er intet andet end elektroner, atomens grundlæggende negativt ladede partikler.

Vi ved nu, at de to andre grundlæggende partikler er den positivt ladede proton og det uladede neutron.

Men disse blev ikke opdaget på det tidspunkt, Thomson udviklede sin model. Den positive ladning i atomet blev fordelt i det, den overvejede ingen partikel til at bære denne ladning, og i øjeblikket var der ingen bevis for, at det eksisterede.

Af denne grund havde hans model en flygtig eksistens, da Rutherfords spredningseksperimenter i løbet af få år banede vejen for opdagelsen af ​​protonen. Og hvad angår neutronen, foreslog Rutherford selv dens eksistens nogle år, før den endelig blev opdaget.

Skæve rør

Sir William Crookes (1832-1919) designet røret, der bærer hans navn omkring 1870, med det formål at nøje studere naturen af ​​katodestråler. Han tilføjede elektriske felter og magnetiske felter og observerede, at strålene blev afbøjet af dem.

Katodestrålerørskema. Kilde: Knight, R.

På denne måde fandt Crookes og andre forskere, inklusive Thomson, at:

1. En elektrisk strøm blev genereret inde i katodestrålerøret
2. Strålene blev afbøjet af tilstedeværelsen af ​​magnetiske felter på samme måde som negativt ladede partikler.
3. Ethvert metal, der blev brugt til at fremstille katoden, var lige så god til at fremstille katodestråler, og deres opførsel var uafhængig af materiale.

Disse observationer gav anledning til diskussionen om katodestrålers oprindelse. De, der hævdede, at de var bølger, var baseret på det faktum, at katodestråler kunne bevæge sig i en lige linje. Desuden forklarede denne hypotese meget godt skyggen, der blev kastet af et solidt anbragt objekt på rørets væg, og under visse omstændigheder var det kendt, at bølgerne kunne forårsage fluorescens.

Men i stedet blev det ikke forstået, hvordan det var muligt for magnetfelter at aflede katodestråler. Dette kunne kun forklares, hvis disse stråler blev betragtet som partikler, en hypotese, som Thomson delte.

Opladede partikler i ensartede elektriske og magnetiske felter

En ladet partikel med ladning q oplever en kraft Fe i midten af ​​et ensartet elektrisk felt E, af størrelse:

Fe = qE

Når en ladet partikel vinkelret passerer gennem et ensartet elektrisk felt, såsom den der produceres mellem to plader med modsatte ladninger, oplever den en afbøjning og følgelig en acceleration:

qE = ma

a = qE / m

På den anden side, hvis den ladede partikel bevæger sig med en hastighed på størrelsen v, i midten af ​​et ensartet magnetfelt med styrke B, har den magnetiske kraft Fm, den oplever, følgende intensitet:

Fm = qvB

Så længe hastigheds- og magnetfeltvektorerne er vinkelret. Når en ladet partikel er vinkelret på et homogent magnetfelt, gennemgår den også en afbøjning, og dens bevægelse er ensartet cirkulær.

Den centripetale acceleration a _c i dette tilfælde er:

qvB = ma _c

På sin side er centripetalaccelerationen relateret til hastigheden af ​​partiklen v og radius R for den cirkulære bane:

a _c = v ² / R

Dermed:

qvB = mv ² / R

Radius for den cirkulære bane kunne beregnes som følger:

R = mv / qB

Senere vil disse ligninger blive brugt til at genskabe den måde, Thomson afledte elektronets ladningsmasse-forhold på.

Thomsons eksperiment

Thomson passerede en stråle af katodestråler, en stråle af elektroner, skønt han ikke vidste det endnu, gennem ensartede elektriske felter. Disse felter oprettes mellem to ladede ledende plader adskilt med en lille afstand.

Han førte også katodestråler gennem et ensartet magnetfelt og observerede den effekt, dette havde på strålen. På det ene felt såvel som det andet var der en nedbøjning i strålene, hvilket fik Thomson til at tro korrekt, at strålen var sammensat af ladede partikler.

For at verificere dette gennemførte Thomson adskillige strategier med katodestråler:

1. Han varierede de elektriske og magnetiske felter, indtil kræfterne aflystes. På denne måde passerede katodestrålene igennem uden at have oplevet afbøjning. Ved at sidestille de elektriske og magnetiske kræfter var Thomson i stand til at bestemme hastigheden af ​​partiklerne i strålen.
2. Det annullerede intensiteten af ​​det elektriske felt, på denne måde fulgte partiklerne en cirkulær bane midt i magnetfeltet.
3. Han kombinerede resultaterne fra trin 1 og 2 for at bestemme lademasse-forholdet mellem "korpusklerne".

Elektronets ladningsmasse-forhold

Thomson bestemte, at ladningsmasse-forholdet mellem de partikler, der udgør katodestrålestrålen, har følgende værdi:

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

Hvor q repræsenterer ladningen af ​​"korpuskelet", der faktisk er elektronet, og m er dets masse. Thomson fulgte proceduren beskrevet i det foregående afsnit, som vi genskaber her trin for trin med de ligninger, han brugte.

Når katodestråler passerer gennem de krydsede elektriske og magnetiske felter, passerer de uden afbøjning. Når det elektriske felt afbrydes, rammer de den øverste del af røret (magnetfeltet er angivet med de blå prikker mellem elektroderne). Kilde: Knight, R.

Trin 1

Udligne den elektriske kraft og den magnetiske kraft ved at føre strålen gennem de vinkelrette elektriske og magnetiske felter:

qvB = qE

Trin 2

Bestem den hastighed, der er opnået af partiklerne i strålen, når de passerer direkte uden afbøjning:

v = E / B

Trin 3

Annuller det elektriske felt, hvor kun magnetfeltet forlades (nu er der afbøjning):

R = mv / qB

Med v = E / B resulterer det i:

R = mE / qB ²

Baneens radius kan måles, derfor:

q / m = v / RB

O godt:

q / m = E / RB ²

Næste skridt

Den næste ting, Thomson gjorde, var at måle q / m-forholdet ved hjælp af katoder fremstillet af forskellige materialer. Som tidligere nævnt udsender alle metaller katodestråler med identiske egenskaber.

Derefter sammenlignede Thomson dens værdier med værdierne i forholdet q / m for hydrogenion, opnået ved elektrolyse, og hvis værdi er cirka 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Ladningsmasseforholdet for elektronet er ca. 1750 gange det for hydrogenion.

Derfor havde katodestrålene meget større ladning, eller måske en masse, der er langt mindre end brintionens. Hydrogenionen er simpelthen en proton, hvis eksistens blev kendt længe efter Rutherfords spredningseksperimenter.

I dag vides det, at protonen er næsten 1800 gange mere massiv end elektronet og med en ladning med samme størrelse og modsat tegn som elektronens.

En anden vigtig detalje er, at med Thomsons eksperimenter blev den elektriske ladning af elektronet ikke bestemt direkte, heller ikke værdien af ​​dens masse separat. Disse værdier blev bestemt af Millikan-eksperimenterne, der begyndte i 1906.

Thomson og Dalton model forskelle

Den grundlæggende forskel mellem disse to modeller er, at Dalton troede, at atomet er en sfære. I modsætning til Thomson foreslog han ikke eksistensen af ​​positive eller negative afgifter. For Dalton så et atom sådan ud:

Dalton atom

Som vi har set før, troede Thomson, at atomet var delbart, og hvis struktur er dannet af en positiv sfære og elektroner omkring det.

Modelfejl og begrænsninger

På det tidspunkt lykkedes det Thomsons atommodel at forklare stoffernes kemiske opførsel meget godt. Han forklarede også nøjagtigt de fænomener, der opstod i katodestrålerøret.

Men faktisk kaldte Thomson ikke engang sine partikler "elektroner", skønt udtrykket allerede var blevet opfundet af George Johnstone Stoney. Thomson kaldte dem blot "korpuskler."

Selvom Thomson benyttede sig af al den viden, der var til rådighed for ham på det tidspunkt, er der adskillige vigtige begrænsninger i hans model, som blev tydeligt meget tidligt på:

- Den positive ladning er ikke fordelt over atomet. Rutherford-spredningseksperimenterne viste, at atomets positive ladning nødvendigvis er begrænset til et lille område af atomet, som senere blev kendt som atomkernen.

- Elektroner har en specifik fordeling inden for hvert atom. Elektronerne er ikke jævnt fordelt, som rosinerne i den berømte budding, men har i stedet en ordning i orbitaler, som senere modeller afslørede.

Det er netop arrangementet af elektronerne i atomet, der tillader elementerne at blive organiseret efter deres egenskaber og egenskaber i den periodiske tabel. Dette var en vigtig begrænsning af Thomson-modellen, som ikke kunne forklare, hvordan det var muligt at bestille elementer på denne måde.

- Atomkernen er den, der indeholder det meste af massen. Thomsons model antydede, at massen af ​​atomet var ensartet fordelt inde i det. Men i dag ved vi, at atomets masse praktisk talt er koncentreret i protonerne og neutronerne i kernen.

Det er også vigtigt at bemærke, at denne model af atomet ikke gjorde det muligt at udlede den bevægelsestype, som elektronerne havde inden i atomet.

Artikler af interesse

Schrödingers atommodel.

De Broglie atommodel.

Chadwicks atommodel.

Heisenberg atommodel.

Perrins atommodel.

Daltons atommodel.

Dirac Jordan atommodel.

Atomisk model af Democritus.

Bohrs atommodel.

Sommerfeld atommodel.

Referencer

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kursus. Fysik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysik. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsons atommodel. Gendannet fra: es.wikipedia.org.