Modelul Thomson al atomului

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 martie 2021; verificările necesită 2 modificări .

Modelul Thomson (numit uneori și „ modelul atomului de budincă ”) este un model al atomului propus în 1904 de Joseph John Thomson [1] . La scurt timp după descoperirea electronului , dar chiar înainte de descoperirea nucleului atomic , modelul a încercat să explice două proprietăți cunoscute atunci ale atomilor: că electronii sunt particule încărcate negativ și că atomii nu au sarcină electrică netă. Modelul budincă de stafide are electroni înconjurați de un volum de sarcină pozitivă, ca „stafidele” încărcate negativ încorporate într-o „budincă” încărcată pozitiv.

Istorie

În acest model, se știa că atomii sunt compuși din electroni încărcați negativ. Deși Thomson le numea „corpusculi”, ei au fost numiți mai frecvent „electroni”, pe care J. J. Stoney i-a propus ca „unitate fundamentală a cantității de electricitate” în 1891 [2] . La acea vreme, se știa că atomii nu aveau sarcină electrică netă. Pentru a explica acest lucru, Thomson știa că atomii trebuie să aibă și o sursă de sarcină pozitivă pentru a echilibra sarcina negativă a electronilor. După descoperirea electronului în 1897 , Thomson a construit un model al atomului pentru a explica faptele experimentale stabilite la acel moment:

Într-un articol [3] publicat în martie 1904 în Philosophical Magazine , Thomson a luat în considerare trei opțiuni plauzibile pentru structura posibilă a atomului, explicând neutralitatea lui electrică și alte proprietăți:

Thomson în acest articol a sugerat că structura atomului conform celui de-al treilea model este cea mai probabilă. În același articol, Thomson respinge modelul „vortex” al structurii atomului pe care l-a propus anterior. Thomson numește electronii „corpusculi încărcați”, deși încă din 1894, J. J. Stoney, într-un articol publicat în aceeași revistă, sugera să se numească „atomi de electricitate” electroni [4] .

Thomson a scris:

…atomii elementelor constau din mai mulți corpusculi încărcați negativ, închiși într-o sferă cu o sarcină electrică pozitivă uniform distribuită…

Avansând modelul budincă al atomului, Thomson a abandonat ipoteza sa anterioară a „atomului nebular” din 1890, bazată pe teoria atomică a vârtejurilor, în care atomii constau din vârtejuri imateriale. El a sugerat că există o asemănare între aranjarea vârtejurilor și regularitatea periodică găsită între elementele chimice [5] . Acum, cel puțin o parte din atom a constat din corpusculi Thomson microscopici încărcați negativ, deși restul părții încărcate pozitiv a atomului era încă destul de vag și prost definit. Un om de știință priceput și practic, Thomson și-a bazat modelul atomic pe date experimentale cunoscute ale vremii. Propunerea lui de încărcare pozitivă a spațiului reflectă natura abordării sale științifice a descoperirii, care urma să ofere idei pentru experimente viitoare.

Descrierea modelului

Un atom, conform lui Thomson, este format din electroni plasați într-o „supă” încărcată pozitiv, care compensează sarcinile electric negative ale electronilor, la figurat – ca „ stafide ” încărcate negativ într-o „ budincă ” încărcată pozitiv . Electronii trebuiau să fie distribuiți în volumul întregului atom. Au fost luate în considerare mai multe variante de aranjare posibilă a electronilor în interiorul atomului, în special, gruparea electronilor sub formă de inele rotative. În unele versiuni ale modelului, în locul unui nor încărcat uniform, a fost propus un „nor” cu o sarcină simetrică sferică cu o densitate variabilă.

Conform acestui model, electronii s-ar putea roti liber într-o picătură sau nor dintr-o astfel de substanță încărcată pozitiv. Orbitele lor au fost stabilizate în interiorul atomului prin faptul că, atunci când un electron se îndepărtează de centrul unui nor încărcat pozitiv, acesta experimentează o creștere a forței de atracție către centrul norului, revenindu-l înapoi, deoarece era mai multă substanță. a sarcinii opuse în interiorul orbitei sale decât în ​​exterior (conform teoremei electrostatice Gauss ) iar atracția forței către centrul unui nor sferic încărcat uniform este direct proporțională cu distanța până la centrul său.

În modelul lui Thomson, electronii se puteau roti liber pe orbite inelare, care au fost stabilizate prin interacțiunile dintre electroni, iar spectrele de linii au fost explicate prin diferența de energie atunci când se deplasau de-a lungul diferitelor orbite inelare.

Thomson a încercat mai târziu să explice liniile spectrale strălucitoare ale unor elemente chimice folosind modelul său, dar nu a avut un succes deosebit în acest sens.

Cu toate acestea, modelul lui Thomson (precum și un model similar de inele Saturniene pentru electronii atomilor, pe care Nagaoka l-a prezentat și în 1904 , prin analogie cu modelul lui James Clerk Maxwell al inelelor lui Saturn ) a devenit un precursor timpuriu al celui mai târziu și mai mult. model Bohr de succes , reprezentând atomul ca un sistem solar asemănător.

Procesarea electrostatică clasică a electronilor limitați la punctele cuantice sferice este, de asemenea, similară cu procesarea lor în modelul budincă [6] [7] .

Modelul lui Thomson a fost comparat (dar nu el însuși) cu desertul britanic, budinca de stafide , de unde și numele acestui model.

O respingere experimentală a modelului Thomson

Modelul atomului lui Thomson din 1904 a fost infirmat în experimentul de împrăștiere a particulelor alfa din 1909 pe folie de aur , care a fost analizat de Ernest Rutherford în 1911 [8] [9] , care a sugerat că atomul are un nucleu foarte mic care conține o sarcină pozitivă foarte mare. (în cazul aurului, suficient pentru a compensa încărcătura de aproximativ 100 de electroni), ceea ce a condus la modelul planetar al atomului lui Rutherford . Deși numărul atomic al aurului este 79, imediat după publicarea lucrării lui Rutherford în 1911 [10] [11] , Antonius van den Broek a prezentat presupunerea intuitivă că numărul atomic este sarcina nucleului, exprimat în unități de element elementar. încărca.

A fost nevoie de un experiment pentru a confirma această ipoteză. În 1913, Henry Moseley a arătat experimental (vezi legea lui Moseley ) că sarcina nucleului în sarcini elementare este foarte apropiată de numărul atomic (deviația experimentală găsită de Moseley nu a fost mai mult de unul), iar Moseley s-a referit doar la munca lui Van den Broek și Rutherford. Această lucrare a dus în cele din urmă la crearea în același an a modelului Bohr al atomului, similar sistemului solar (dar cu restricții cuantice), în care un nucleu cu sarcină pozitivă egală cu numărul atomic este înconjurat de un număr egal. de electroni în straturile orbitale.

Luând în considerare modelul Thomson, a fost formulată o problemă încă nerezolvată de fizică matematică  - găsirea configurației multor sarcini cu cea mai mică energie potențială de pe sferă - problema Thomson [12] .

Note

  1. ↑ Plum Pudding Model , Universe Today  (27 august 2009). Arhivat din original la 30 iulie 2018. Preluat la 19 decembrie 2015.
  2. ↑ O'Hara, JG George Johnstone Stoney, FRS, and the Concept of the Electron  //  Notes and Records of the Royal Society of London : jurnal. - Royal Society, 1975. - Martie ( vol. 29 , nr. 2 ). - P. 265-276 . - doi : 10.1098/rsnr.1975.0018 . — .
  3. ↑ JJ Thomson. Despre structura atomului: o investigație a stabilității și a perioadelor de oscilație a unui număr de corpusculi aranjați la intervale egale în jurul circumferinței unui cerc; cu aplicarea rezultatelor la teoria structurii atomice  (engleză)  // Philosophical Magazine Series 6 : journal. - 1904. - Vol. 7 , nr. 39 . — P. 237 . - doi : 10.1080/14786440409463107 .
  4. ↑ GJ Stoney,. Al „electronului” sau atomului de electricitate (neopr.)  // Philosophical Magazine , Series 5. - 1894. - V. 38 . - S. 418-420 .  
  5. ↑ Kragh, Helge. Generații cuantice: o istorie a fizicii în secolul al XX-lea  (engleză) . — Retipărire. — Princeton University Press , 2002. — ISBN 978-0691095523 .
  6. ↑ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. Atomi artificiali cu mulți electroni  (engleză)  // Physical Review B  : jurnal. - 1999. - Vol. 59 , nr. 20 . - P. 13036-13042 . - doi : 10.1103/PhysRevB.59.13036 . - Cod .
  7. ↑ LaFave, T., Jr. Corespondențe între problema clasică electrostatică Thomson și structura electronică atomică  (engleză)  // J. Electrostatics : journal. - 2013. - Vol. 71 , nr. 6 . - P. 1029-1035 . - doi : 10.1016/j.elstat.2013.10.001 . - arXiv : 1403.2591 .
  8. ↑ Joseph A. Angelo. Tehnologia nucleară (nedefinită) . - Greenwood Publishing Group , 2004. - ISBN 1-57356-336-6 .  
  9. ↑ Akhlesh Lakhtakia (Ed.). Modele și modelatori de hidrogen  (nedefinite) . - World Scientific, 1996. - ISBN 981-02-2302-1 .
  10. ↑ Angelo, Joseph A. Tehnologia  nucleară . - Editura Greenwood , 2004. - P.  110 . — ISBN 978-1-57356-336-9 .
  11. ↑ Salpeter, Edwin E. Models and Modelers of Hydrogen  (nespecificated) / Lakhtakia, Akhlesh. - World Scientific , 1996. - T. 65. - S. 933-934. - ISBN 978-981-02-2302-1 . - doi : 10.1119/1.18691 .
  12. ↑ Levin, Y.; Arenzon, JJ De ce taxele merg la suprafață: O problemă generalizată Thomson   // Europhys . Lett.  : jurnal. - 2003. - Vol. 63 . - P. 415-418 . - doi : 10.1209/epl/i2003-00546-1 . - Cod biblic . - arXiv : cond-mat/0302524 .
  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii