АТОМНА МОДЕЛЬ ТОМСОНА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОСТУЛАТИ, СУБАТОМНІ ЧАСТИНКИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Модель атома Томсона був створений знаменитий англійський фізик Томсон, який відкрив електрон. За це відкриття та його роботи з електричної провідності в газах йому було присуджено Нобелівську премію з фізики 1906 року.

З його роботи з катодними променями стало зрозуміло, що атом не є неподільною сутністю, як Далтон постулював у попередній моделі, але містив чітко окреслену внутрішню структуру.

Томсон склав модель атома за результатами своїх експериментів з катодними променями. У ньому він заявив, що електрично нейтральний атом складається з позитивних і негативних зарядів однакової величини.

Як називалася атомна модель Томсона і чому?

За Томсоном, позитивний заряд розподілявся по всьому атому, а негативні заряди вкладалися в нього так, ніби вони були родзинками в пудингу. З цього порівняння вийшов термін «пудинг із родзинок», як модель неофіційно була відома.

Джозеф Джон Томсон

Хоча ідея Томсона сьогодні виглядає досить примітивно, в той час вона представляла романний внесок. За коротке життя моделі (з 1904 по 1910 рр.) Вона мала підтримку багатьох вчених, хоча багато інших вважали її єресі.

Нарешті в 1910 р. З'явилися нові свідчення про будову атома, і модель Томсона швидко впала на бік. Це сталося, як тільки Резерфорд опублікував результати своїх експериментів по розсіюванню, які виявили існування атомного ядра.

Однак модель Томсона першою постулювала існування субатомних частинок, і її результати були плодом тонких і жорстких експериментів. Таким чином він встановив прецедент для всіх відкриттів, які наступні.

Характеристика та постулати моделі Томсона

Томсон прийшов до своєї атомної моделі на основі кількох спостережень. Першим було те, що нещодавно виявлені Рентгеном рентгенівські промені здатні іонізувати молекули повітря. До цього часу єдиним способом іонізації було хімічне розділення іонів у розчині.

Але англійському фізику вдалося успішно іонізувати навіть одноатомні гази, такі як гелій, за допомогою рентгенівських променів. Це привело його до думки, що заряд всередині атома може бути відокремлений, і тому він не є неподільним. Він також спостерігав, що катодні промені їх можна було відхилити електричним і магнітним полями.

Дж. Дж. Томсон, відкривач електрона. Джерело: Lifeder.

Так Томсон розробив модель, яка правильно пояснила той факт, що атом електрично нейтральний і що катодні промені складаються з негативно заряджених частинок.

Використовуючи експериментальні дані, Томсон характеризував атом таким чином:

-Атом - це електрично нейтральна тверда сфера, з приблизним радіусом 10 ^-10 м.

-Позитивний заряд розподіляється більш-менш рівномірно по всій сфері.

-Атом містить негативно заряджені «корпускули», які забезпечують його нейтралітет.

-Це тільця однакові для всієї матерії.

-Коли атом знаходиться в рівновазі, у сфері сфери позитивного заряду регулярно розташовані n корпускулів.

-Маса атома рівномірно розподілена.

Катодні промені

Промінь електронів спрямований від катода до анода.

Томсон проводив свої експерименти, використовуючи катодні промені, виявлені в 1859 р. Катодні промені - це пучки негативно заряджених частинок. Для їх виготовлення використовуються вакуумні скляні трубки, в які розміщені два електроди, які називаються катодом і анодом.

Потім пропускається електричний струм, який нагріває катод, який таким чином випромінює невидиме випромінювання, яке спрямоване безпосередньо на протилежний електрод.

Для виявлення випромінювання, яке є не що інше, як катодні промені, стінка трубки за анодом покрита флуоресцентним матеріалом. Коли випромінювання досягає туди, стінка трубки виділяє інтенсивну світність.

Якщо твердий предмет потрапляє на шлях катодних променів, він кидає тінь на стінку трубки. Це вказує на те, що промені рухаються по прямій лінії, а також про те, що їх можна легко перекрити.

Природа катодних променів широко обговорювалася, оскільки їхня природа була невідома. Одні вважали, що це хвилі електромагнітного типу, а інші стверджували, що це частинки.

Субатомні частинки з атомної моделі Томсона

Як ми говорили, атомна модель Томсона є першою, хто постулює існування субатомних частинок. Корпускули Томсона - це не що інше, як електрони, основні негативно заряджені частинки атома.

Зараз ми знаємо, що інші дві основні частинки - це позитивно заряджений протон і незаряджений нейтрон.

Але вони не були виявлені в той час, коли Томсон розробив свою модель. Позитивний заряд в атомі поширювався в ньому, він не вважав жодної частинки, яка б несла цей заряд і на даний момент не було доказів його існування.

З цієї причини його модель мала швидкоплинне існування, оскільки впродовж кількох років експерименти з розсіюванням Резерфорда проклали шлях до відкриття протона. Що ж стосується нейтрона, то сам Резерфорд запропонував його існування за кілька років до того, як він був остаточно виявлений.

Трубка круків

Сер Вільям Крукс (1832-1919) сконструював трубку, яка носить його ім'я близько 1870 року, з наміром уважно вивчити природу катодних променів. Він додав електричні та магнітні поля та зауважив, що промені відхиляються ними.

Схема катодної трубки. Джерело: Найт, Р.

Таким чином, Крукс та інші дослідники, включаючи Томсона, виявили, що:

1. Всередині катодної пробірки генерувався електричний струм
2. Промені відхилялися наявністю магнітних полів так само, як і негативно заряджені частинки.
3. Будь-який метал, використаний для виготовлення катода, однаково добре видавав катодні промені, і їх поведінка не залежала від матеріалу.

Ці спостереження сприяли дискусії про походження катодних променів. Ті, хто стверджував, що це хвилі, базувались на тому, що катодні промені могли рухатись по прямій лінії. Крім того, ця гіпотеза дуже добре пояснювала тінь, що вкладений твердий предмет, кинутий на стінку трубки, і за певних обставин було відомо, що хвилі можуть викликати флуоресценцію.

Але замість цього не було зрозуміло, як можна магнітним полям відхиляти катодні промені. Це можна було пояснити лише в тому випадку, якщо ці промені розглядалися як частинки - гіпотеза, яку розділяв Томсон.

Заряджені частинки в рівномірному електричному та магнітному полях

Заряджена частинка із зарядом q відчуває силу Fe в середині рівномірного електричного поля Е величиною:

Fe = qE

Коли заряджена частинка перпендикулярно проходить через рівномірне електричне поле, наприклад, яке утворюється між двома пластинами з протилежними зарядами, воно відчуває відхилення і, отже, прискорення:

qE = ma

a = qE / м

З іншого боку, якщо заряджена частинка рухається зі швидкістю величини v, посеред рівномірного магнітного поля величиною В магнітна сила Fm, яку вона відчуває, має таку інтенсивність:

Fm = qvB

Поки вектори швидкості та магнітного поля перпендикулярні. Коли заряджена частинка перпендикулярна до однорідного магнітного поля, вона також зазнає відхилення і рух її рівномірний круговий.

Доцентрове прискорення a _c в цьому випадку дорівнює:

qvB = ma _c

У свою чергу, доцентрове прискорення пов'язане зі швидкістю частинки v і радіусом R кругового шляху:

a _c = v ² / R

Таким чином:

qvB = mv ² / R

Радіус кругової доріжки можна обчислити так:

R = mv / qB

Пізніше ці рівняння будуть використані для відтворення способу, яким Томсон вивів співвідношення заряд-маса електрона.

Експеримент Томсона

Томсон пропускав промінь катодних променів, промінь електронів, хоча він цього ще не знав, через рівномірні електричні поля. Ці поля створюються між двома зарядженими струмопровідними пластинами, розділеними невеликою відстані.

Він також пропускав катодні промені через рівномірне магнітне поле, спостерігаючи за впливом, яке це мало на промінь. І в одному полі, і в іншому спостерігався відхилення променів, що змусило Томсона правильно думати, що промінь складається із заряджених частинок.

Щоб перевірити це, Томсон здійснив кілька стратегій із катодними променями:

1. Він змінював електричні та магнітні поля, поки сили не скасувались. Таким чином промені катода проходили крізь нього, не відчуваючи прогину. Зрівнявши електричну та магнітну сили, Томсон зміг визначити швидкість частинок у пучку.
2. Він скасовував напруженість електричного поля, таким чином частинки йшли круговим шляхом посередині магнітного поля.
3. Він поєднав результати кроків 1 і 2 для визначення співвідношення заряд-маса «корпускулів».

Коефіцієнт заряду-маси електрона

Томсон визначив, що співвідношення заряду-маси частинок, що входять до променя катодного променя, має таке значення:

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

Де q являє собою заряд «корпускули», який насправді є електроном, а m - його маса. Томсон дотримувався процедури, описаної в попередньому розділі, яку ми відтворимо тут, крок за кроком, з рівняннями, які він використав.

Коли катодні промені проходять через схрещені електричні та магнітні поля, вони проходять без відхилення. Коли електричне поле скасовується, вони потрапляють у верхню частину трубки (магнітне поле позначається синіми крапками між електродами). Джерело: Найт, Р.

Крок 1

Вирівнюють електричну силу і магнітну силу, пропускаючи промінь через перпендикулярне електричне та магнітне поле:

qvB = qE

Крок 2

Визначте швидкість, набуту частинками в пучку, коли вони проходять безпосередньо без прогину:

v = E / B

Крок 3

Скасуйте електричне поле, залишивши лише магнітне поле (зараз відхилення):

R = mv / qB

З v = E / B це результати:

R = mE / qB ²

Радіус орбіти можна виміряти, отже:

q / m = v / RB

Добре:

q / m = E / RB ²

Наступні кроки

Наступне, що зробив Томсон - це виміряти співвідношення q / m, використовуючи катоди, виготовлені з різних матеріалів. Як було сказано раніше, всі метали випромінюють катодні промені з однаковими характеристиками.

Потім Томсон порівнював їхні значення з співвідношенням q / m іона водню, отриманого електролізом і значення якого приблизно становить 1 х 10 ⁸ С / кг. Коефіцієнт заряду-маси електрона приблизно в 1750 разів порівняно з іоном водню.

Тому катодні промені мали набагато більший заряд або, можливо, масу набагато меншу, ніж іон водню. Іон водню - просто протон, про існування якого стало відомо задовго після експериментів розсіювання Резерфорда.

Сьогодні відомо, що протон майже в 1800 разів масивніший за електрон і з зарядом, рівним за величиною і протилежним знаку електрону.

Ще одна важлива деталь полягає в тому, що при експериментах Томсона електричний заряд електрона не визначався безпосередньо, а також значення його маси окремо. Ці значення були визначені дослідами Мілілікана, які розпочалися в 1906 році.

Відмінності моделей Томсона та Далтона

Принципова відмінність цих двох моделей полягає в тому, що Далтон вважав, що атом - це сфера. На відміну від Томсона, він не пропонував існування позитивних чи негативних звинувачень. Для Далтона атом виглядав так:

Атом Дальтона

Як ми бачили раніше, Томсон вважав, що атом ділиться, а структура якого утворена позитивною сферою та електронами навколо неї.

Недоліки та обмеження моделі

У той час атомній моделі Томсона вдалося дуже добре пояснити хімічну поведінку речовин. Він також точно пояснив явища, що відбулися в катодній пробірці.

Але насправді Томсон навіть не називав своїх частинок «електронами», хоча цей термін вже був придуманий раніше Джорджем Джонстоуном Стоні. Томсон просто називав їх «корпускулами».

Хоча Томсон використав усі наявні йому знання на той час, у його моделі є кілька важливих обмежень, які стали очевидними дуже рано:

- Позитивний заряд не розподіляється по всьому атому . Експерименти з розсіюванням Резерфорда показали, що позитивний заряд атома обов'язково обмежується невеликою областю атома, яка згодом стала називатися атомним ядром.

- Електрони мають певний розподіл всередині кожного атома . Електрони розподіляються не рівномірно, як родзинки у знаменитому пудингу, а натомість мають розташування на орбіталях, що виявили пізніші моделі.

Саме розташування електронів всередині атома дозволяє організувати елементи за їх характеристиками та властивостями в періодичній таблиці. Це було важливим обмеженням моделі Томсона, яке не могло пояснити, як можна таким чином замовляти елементи.

- Атомне ядро ​​- це те, що містить більшу частину маси. Модель Томсона постулювала, що маса атома рівномірно розподілена всередині нього. Але сьогодні ми знаємо, що маса атома практично зосереджена в протонах і нейтронах ядра.

Важливо також зазначити, що ця модель атома не дозволяла зробити висновок про тип руху, який мали електрони всередині атома.

Статті, що цікавлять

Атомна модель Шредінгера.

Атомна модель Де Бройля.

Атомна модель Чадвіка.

Атомна модель Гейзенберга.

Атомна модель Перріна.

Атомна модель Далтона.

Атомна модель Дірака Йордана.

Атомна модель Демокріта.

Атомна модель Бора.

Атомна модель Соммерфельда.

Список літератури

1. Андріссен, М. 2001. Курс HSC. Фізика 2. Джакаранда HSC Science.
2. Арфкен, Г. 1984. Університетська фізика. Академічна преса.
3. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
4. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон.
5. Вікіпедія. Атомна модель Томсона. Відновлено з: es.wikipedia.org.