THOMSONO ATOMINIS MODELIS: CHARAKTERISTIKOS, POSTULATAI, SUBATOMINĖS DALELĖS - FIZINIS - 2025

Atominės modelis Thomson buvo sukurtas garsaus anglų fizikas JJ Thomson, kurie atrado elektroną. Už šį atradimą ir savo darbą elektros laidumo dujose srityje jam buvo paskirta 1906 m. Nobelio fizikos premija.

Iš jo darbo su katodiniais spinduliais tapo aišku, kad atomas nebuvo nedalomas darinys, kaip Daltonas postuliavo ankstesniame modelyje, bet turėjo aiškiai apibrėžtą vidinę struktūrą.

Remdamasis savo eksperimentų su katodo spinduliais rezultatais, Thomsonas sudarė atomo modelį. Jame jis pareiškė, kad elektriškai neutralus atomas sudarytas iš teigiamų ir neigiamų vienodo dydžio krūvių.

Kaip buvo vadinamas Thomsono atominis modelis ir kodėl?

Anot Thomsono, teigiamas krūvis pasiskirstė visame atome, o neigiami krūviai buvo įterpti į jį tarsi razinos pudroje. Iš šio palyginimo atsirado terminas „razinų pudingas“, nes modelis buvo žinomas neoficialiai.

Josephas Johnas Thomsonas

Nors Thomsono idėja šiandien atrodo gana primityvi, tuo metu ji reiškė naują indėlį. Per trumpą modelio gyvavimo laiką (1904–1910) jis sulaukė daugelio mokslininkų palaikymo, nors daugelis kitų jį laikė erezija.

Pagaliau 1910 m. Atsirado naujų įrodymų apie atominę struktūrą ir Thomsono modelis greitai nukrito į šoną. Tai atsitiko, kai tik Rutherfordas paskelbė savo išsibarstymo eksperimentų rezultatus, kurie atskleidė atominio branduolio egzistavimą.

Tačiau Thomsono modelis pirmasis postuliavo subatominių dalelių egzistavimą, o jo rezultatai buvo kruopštaus ir griežto eksperimentavimo vaisius. Tokiu būdu jis sukūrė precedentą visiems po to buvusiems atradimams.

„Thomson“ modelio charakteristikos ir postulatai

Remdamasis keliais stebėjimais, Thomsonas atėjo prie savo atominio modelio. Pirmasis buvo tas, kad rentgenas, kurį naujai atrado Roentgenas, galėjo jonizuoti oro molekules. Iki tol vienintelis būdas jonizuotis buvo chemiškai atskirti jonus tirpale.

Bet anglų fizikui rentgeno spinduliais pavyko sėkmingai jonizuoti net tokias monatomines dujas kaip helis. Tai paskatino jį tikėti, kad atomo viduje esantis krūvis gali būti atskirtas ir todėl jis nėra nedalomas. Jis taip pat pastebėjo, kad katodo spinduliai juos būtų galima nukreipti elektriniu ir magnetiniu laukais.

JJ Thomsonas, elektronų atradėjas. Šaltinis: „Lifeder“.

Taigi Thomsonas sugalvojo modelį, kuris teisingai paaiškino faktą, kad atomas yra elektriškai neutralus ir kad katodo spinduliai sudaryti iš neigiamai įkrautų dalelių.

Remdamasis eksperimentiniais įrodymais, Thomsonas apibūdino atomą taip:

-Tomas yra elektriškai neutrali kieta sfera, kurios apytikslis spindulys yra ^10–10 m.

- Teigiamas krūvis yra daugmaž tolygiai pasiskirstęs visoje sferoje.

-Atome yra neigiamai įkrauti „kūneliai“, kurie užtikrina jo neutralumą.

-Šie korpusai yra vienodi visoms materijoms.

- Kai atomas yra pusiausvyroje, teigiamo krūvio sferoje yra n žiedų, reguliariai išdėstytų žiedais.

-Atomo masė pasiskirsto tolygiai.

Katodiniai spinduliai

Elektronų pluoštas nukreipiamas nuo katodo iki anodo.

Thomsonas atliko savo eksperimentus, naudodamas katodinius spindulius, atrastus 1859 m. Katodo spinduliai yra neigiamai įkrautų dalelių pluoštai. Jų gamybai naudojami vakuuminiai stikliniai vamzdeliai, į kuriuos įdedami du elektrodai, vadinami katodu ir anodu.

Tada praleidžiama elektros srovė, kuri šildo katodą, kuris tokiu būdu skleidžia nematomą radiaciją, nukreiptą tiesiai į priešingą elektrodą.

Norėdami aptikti radiaciją, kuri yra ne kas kita, kaip katodo spinduliai, vamzdžio siena už anodo yra padengta fluorescencine medžiaga. Kai spinduliuotė pasiekia ten, vamzdžio sienelė skleidžia stiprų švytėjimą.

Jei kietas daiktas patenka į katodo spindulių kelią, jis meta šešėlį ant vamzdžio sienos. Tai rodo, kad spinduliai eina tiesia linija ir kad juos galima lengvai užblokuoti.

Plačiai aptarta katodinių spindulių prigimtis, nes jų pobūdis nebuvo žinomas. Vieni manė, kad tai yra elektromagnetinio tipo bangos, kiti tvirtino, kad tai dalelės.

Subatominės dalelės iš Thomsono atominio modelio

Kaip mes minėjome, Thomsono atominis modelis pirmasis postuluoja subatominių dalelių egzistavimą. Thomsono kūneliai yra ne kas kita, kaip elektronai, pagrindinės neigiamai įkrautos atomo dalelės.

Dabar mes žinome, kad kitos dvi pagrindinės dalelės yra teigiamai įkrautas protonas ir neįkrautas neutronas.

Bet tai nebuvo rasta tuo metu, kai Thomsonas sukūrė savo modelį. Jame pasiskirstė teigiamas atomo krūvis, jis nemanė, kad nė viena dalelė nešiotų šio krūvio ir šiuo metu nebuvo jokių jo egzistavimo įrodymų.

Dėl šios priežasties jo modelis egzistavo trumpalaikis, nes per kelerius metus Rutherfordo išsklaidyti eksperimentai sudarė kelią protono atradimui. Kalbant apie neutroną, pats Rutherfordas pasiūlė jo egzistavimą kelerius metus, kol jis buvo galutinai aptiktas.

Kreivas vamzdis

Seras Williamas Crookesas (1832–1919) suprojektavo vamzdelį, kuris jo vardu buvo pažymėtas apie 1870 m., Norėdamas atidžiai ištirti katodo spindulių prigimtį. Jis pridėjo elektrinius laukus ir magnetinius laukus ir pastebėjo, kad juos nukreipė spinduliai.

Katodinių spindulių vamzdžių schema. Šaltinis: Knight, R.

Tokiu būdu Crookes ir kiti tyrinėtojai, įskaitant Thomsoną, nustatė, kad:

1. Katodinio spindulio vamzdyje susidarė elektros srovė
2. Spinduliai buvo nukreipti magnetinių laukų pavidalu taip, kaip buvo neigiamai įkrautos dalelės.
3. Bet koks katodui gaminti naudojamas metalas vienodai gerai skleidė katodo spindulius, o jų elgesys nepriklausė nuo medžiagos.

Šie pastebėjimai paskatino diskusiją apie katodinių spindulių kilmę. Tie, kurie teigė, kad tai bangos, rėmėsi tuo, kad katodo spinduliai gali judėti tiesia linija. Be to, ši hipotezė labai gerai paaiškino šešėlį, kurį meta kietas daiktas, esantis ant vamzdelio sienos, ir tam tikromis aplinkybėmis buvo žinoma, kad bangos gali sukelti fluorescenciją.

Tačiau nebuvo suprantama, kaip magnetiniai laukai galėjo atitraukti katodo spindulius. Tai būtų galima paaiškinti tik tuo atveju, jei šie spinduliai būtų laikomi dalelėmis - tai hipotezė, kuria pritarė Thomsonas.

Įkrautos dalelės vienodame elektriniame ir magnetiniame lauke

Įkrauta dalelė, turinti krūvį q, patiria vienodo elektrinio lauko E viduryje jėgą Fe:

Fe = qE

Kai įkrauta dalelė statmenai eina per vienodą elektrinį lauką, tokį, koks susidaro tarp dviejų plokščių su priešingais krūviais, ji patiria įlinkį ir atitinkamai pagreitį:

qE = ma

a = qE / m

Kita vertus, jei įkrauta dalelė juda greičiu v, esant vienodam B dydžio magnetiniam laukui, jo patiriamos magnetinės jėgos Fm intensyvumas yra toks:

Fm = qvB

Kol greičio ir magnetinio lauko vektoriai yra statmeni. Kai įkrauta dalelė yra statmena homogeniniam magnetiniam laukui, ji taip pat patiria įlinkį, o jos judesys yra tolygus apskritimui.

Centripetalinis pagreitis a _c šiuo atveju yra:

qvB = ma _c

Savo ruožtu, centrotripelinis pagreitis yra susijęs su dalelės greičiu v ir apskritimo kelio spinduliu R:

a _c = v ² / R

Taigi:

qvB = mv ² / R

Apskritimo kelio spindulys galėtų būti apskaičiuojamas taip:

R = mv / qB

Vėliau šios lygtys bus panaudotos atkuriant būdą, kaip Thomsonas nustatė elektrono krūvio ir masės santykį.

Thomsono eksperimentas

Thomsonas pro vienodus elektrinius laukus praleido katodinių spindulių, elektronų pluoštą, nors to dar nežinojo. Šie laukai sukuriami tarp dviejų įkrautų laidžių plokštelių, atskirtų mažu atstumu.

Jis taip pat praleido katodo spindulius per vienodą magnetinį lauką, stebėdamas, kokį poveikį tai turėjo spinduliui. Tiek viename, tiek kitame lauke buvo spindulių įlinkis, dėl kurio Thomsonas teisingai galvojo, kad pluoštą sudaro įkrautos dalelės.

Norėdami tai patvirtinti, Thomsonas atliko keletą strategijų su katodiniais spinduliais:

1. Jis varijavo elektrinį ir magnetinį laukus, kol jėgos pasitraukė. Tokiu būdu katodo spinduliai praėjo pro šalį nepatirdami deformacijos. Lyginant elektrines ir magnetines jėgas, Thomsonas sugebėjo nustatyti dalelių greitį pluošte.
2. Tai panaikino elektrinio lauko intensyvumą, tokiu būdu dalelės ėjo žiediniu keliu magnetinio lauko viduryje.
3. Jis sujungė 1 ir 2 žingsnių rezultatus, kad nustatytų „kraujo kūnelių“ krūvio ir masės santykį.

Elektrono krūvio ir masės santykis

Thomsonas nustatė, kad dalelių, kurios sudarė katodinio spindulio pluoštą, krūvio ir masės santykis yra toks:

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

Kur q žymi „korpuso“, kuris iš tikrųjų yra elektronas, krūvį, o m yra jo masė. Thomsonas laikėsi ankstesniame skyriuje aprašytos procedūros, kurią mes čia atkuriame žingsnis po žingsnio, su jo naudojamomis lygtimis.

Kai katodiniai spinduliai praeina per kirto elektrinį ir magnetinį laukus, jie praeina be deformacijos. Panaikinus elektrinį lauką, jie atsitrenkia į viršutinę vamzdžio dalį (magnetinį lauką nurodo mėlyni taškai tarp elektrodų). Šaltinis: Knight, R.

1 žingsnis

Išlyginkite elektrinę ir magnetinę jėgą, praleisdami pluoštą per statmeną elektrinį ir magnetinį laukus:

qvB = qE

2 žingsnis

Nustatykite greitį, kurį įgyja dalelės pluošte, kai jos eina tiesiai be deformacijos:

v = E / B

3 žingsnis

Atšaukite elektrinį lauką, palikdami tik magnetinį lauką (dabar yra įlinkis):

R = mv / qB

Kai v = E / B, gaunami:

R = mE / qB ²

Orbitos spindulys gali būti išmatuotas, todėl:

q / m = v / RB

O gerai:

q / m = E / RB ²

Tolesni žingsniai

Kitas dalykas, kurį padarė Thomsonas, buvo išmatuoti q / m santykį naudojant katodus, pagamintus iš skirtingų medžiagų. Kaip minėta anksčiau, visi metalai išskiria vienodų charakteristikų katodo spindulius.

Tada Thomsonas palygino jų vertes su vandenilio jonų santykio q / m, gauto elektrolizės būdu, reikšmėmis, kurių vertė yra apytiksliai 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Elektrono krūvio ir masės santykis yra maždaug 1750 kartų didesnis nei vandenilio jonų.

Todėl katodo spinduliai turėjo žymiai didesnį krūvį, o gal masė buvo daug mažesnė nei vandenilio jonų. Vandenilio jonas yra tiesiog protonas, apie kurio egzistavimą sužinojo ilgai po Rutherfordo sklaidos eksperimentų.

Šiandien yra žinoma, kad protonas yra beveik 1800 kartų masyvesnis už elektroną ir kurio krūvis yra tokio paties dydžio ir priešingas ženklui nei elektronas.

Kita svarbi detalė yra ta, kad atliekant Thomsono eksperimentus, nebuvo tiesiogiai nustatytas nei elektrono elektrinis krūvis, nei atskirai jo masės vertė. Šios vertės buvo nustatytos Millikano eksperimentais, kurie prasidėjo 1906 m.

Thomsono ir Daltono modelių skirtumai

Esminis šių dviejų modelių skirtumas yra tas, kad Daltonas manė, kad atomas yra sfera. Priešingai nei Thomsonas, jis nepasiūlė nei teigiamų, nei neigiamų kaltinimų. Daltonui atomas atrodė taip:

Daltono atomas

Kaip jau matėme anksčiau, Thomsonas manė, kad atomas dalijasi ir kurio struktūrą sudaro teigiama sfera ir elektronai aplink jį.

Modelio trūkumai ir apribojimai

Tuo metu Thomsono atominis modelis sugebėjo labai gerai paaiškinti cheminį medžiagų elgesį. Jis taip pat tiksliai paaiškino reiškinius, kurie įvyko katodinių spindulių vamzdyje.

Tačiau iš tikrųjų Thomsonas net nevadino savo dalelių „elektronais“, nors šį terminą jau anksčiau sukūrė George'as Johnstone'as Stoney. Thomsonas juos tiesiog vadino „kraujo kūneliais“.

Nors Thomsonas pasinaudojo visomis tuo metu turimomis žiniomis, jo modelyje yra keletas svarbių apribojimų, kurie paaiškėjo labai anksti:

- Teigiamas krūvis nėra pasiskirstęs visame atome . Rutherfordo išsklaidymo eksperimentai parodė, kad teigiamas atomo krūvis būtinai apsiriboja nedideliu atomo regionu, kuris vėliau tapo žinomas kaip atomo branduolys.

- Elektronai turi specifinį pasiskirstymą kiekviename atome . Elektronai nėra tolygiai pasiskirstę, kaip razinos garsiojoje pudingoje, o orbitalėse yra išdėstyti vėliau, kaip paaiškėjo vėliau.

Būtent elektronų išsidėstymas atomo viduje leidžia elementus suskirstyti pagal jų charakteristikas ir savybes periodinėje lentelėje. Tai buvo svarbus Thomsono modelio apribojimas, kuris negalėjo paaiškinti, kaip tokiu būdu buvo galima užsisakyti elementus.

- Atominis branduolys yra tas, kuriame yra didžioji dalis masės. Thomsono modelis postuliavo, kad atomo masė tolygiai pasiskirstė jame. Tačiau šiandien mes žinome, kad atomo masė yra praktiškai sukoncentruota branduolio protonuose ir neutronuose.

Taip pat svarbu pažymėti, kad šis atomo modelis neleido nustatyti judėjimo, kurį elektronai turėjo atomo viduje, tipo.

Dominantys straipsniai

Schrödingerio atominis modelis.

De Broglio atominis modelis.

Chadwicko atominis modelis.

Heisenbergo atominis modelis.

Perrino atominis modelis.

Daltono atominis modelis.

Dirac Jordan atominis modelis.

Atominis Demokrito modelis.

Bohro atominis modelis.

Sommerfeldo atominis modelis.

Nuorodos

1. Andriessen, M. 2001. HSC kursai. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universiteto fizika. Akademinė spauda.
3. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
4. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas.
5. Vikipedija. Thomsono atominis modelis. Atkurta iš: es.wikipedia.org.