Model atomowy Thomsona: charakterystyka, eksperymenty, postulaty

Model atomowy Thomsona został uznany na świecie za pierwsze światło na konfigurację protonów i elektronów w strukturze atomu. Poprzez tę propozycję Thomson zasugerował, że atomy są jednolite i zawierają ładunek dodatni w jednorodny sposób, z losowymi osadami elektronów wewnątrz każdego atomu.

Aby to opisać, Thomson porównał swój model do puddingu śliwkowego. To porównanie zostało później wykorzystane jako alternatywna nazwa modelu. Jednak z powodu kilku niespójności (teoretycznych i eksperymentalnych) dotyczących rozkładu ładunków elektrycznych w atomie model Thomsona został odrzucony w 1911 roku.

Początki

Ten model atomowy został zaproponowany przez angielskiego naukowca Josepha Johna „JJ” Thomsona w 1904 r. W celu wyjaśnienia składu atomów w oparciu o pojęcia, które były wówczas znane.

Ponadto Thomson był odpowiedzialny za odkrycie elektronu pod koniec XIX wieku. Warto zauważyć, że model atomowy Thomsona został zaproponowany wkrótce po odkryciu elektronu, ale przed poznaniem istnienia jądra atomowego.

Dlatego propozycja składała się z rozproszonej konfiguracji wszystkich ładunków ujemnych w strukturze atomowej, która z kolei składała się z jednolitej masy ładunku dodatniego.

Funkcje

- Atom ma ładunek neutralny.

- Istnieje źródło ładunku dodatniego, który neutralizuje ładunek ujemny elektronów.

- Ten ładunek dodatni jest równomiernie rozłożony w atomie.

- W słowach Thomsona: „ujemnie zelektryfikowane ciałka” - to znaczy elektrony - są zawarte w jednolitej masie ładunku dodatniego.

- Elektrony mogą swobodnie pochodzić z wnętrza atomu.

- Elektrony miały stabilne orbity, argument oparty na prawie Gaussa. Jeśli elektrony poruszają się przez dodatnią „masę”, siły wewnętrzne wewnątrz elektronów są równoważone przez ładunek dodatni, który jest automatycznie generowany wokół orbity.

- Model Thomsona był powszechnie znany w Anglii jako model budyniu śliwek, ponieważ rozkład elektronów zaproponowany przez Thomsona był podobny do rozmieszczenia śliwek na tym deserze.

Eksperymenty w celu opracowania modelu

Thomson przeprowadził kilka testów z lampami katodowymi, aby przetestować właściwości cząstek subatomowych i położyć fundamenty pod jego model. Lampy elektronopromieniowe są szklanymi rurkami, których zawartość powietrza została prawie całkowicie opróżniona.

Rury te są zelektryfikowane za pomocą baterii, która polaryzuje rurę, aby mieć koniec ujemnego ładunku (katoda) i dodatnio naładowany koniec (anoda).

Są one również uszczelnione po obu stronach i poddawane wysokim poziomom napięcia przez elektryfikację dwóch elektrod umieszczonych na katodzie urządzenia. Za pomocą tej konfiguracji indukowana jest cyrkulacja wiązki cząstek z katody do anody rury.

Promienie katodowe

Istnieje pochodzenie nazwy tego typu narzędzi, ponieważ są one nazywane promieniami katodowymi ze względu na punkt wyjścia cząstek wewnątrz rury. Malując anodę rury materiałem takim jak fosfor lub ołów, na końcu dodatnim powstaje reakcja, gdy wiązka cząstek zderzy się z nią.

W swoich eksperymentach Thomson określił odchylenie wiązki na swojej drodze od katody do anody. Później Thomson próbował zweryfikować właściwości tych cząstek: zasadniczo ładunek elektryczny i reakcję między nimi.

Angielski fizyk umieścił dwie płytki elektryczne o przeciwnym ładunku na górnym i dolnym końcu rury. Z powodu tej polaryzacji wiązka została skierowana w kierunku dodatnio naładowanej płyty, umieszczonej w górnym ograniczniku.

W ten sposób Thomson wykazał, że promień katodowy składa się z ujemnie naładowanych cząstek, które ze względu na ich przeciwny ładunek zostały przyciągnięte do dodatnio naładowanej płyty.

Ewolucja w badaniach

Thomson rozwinął swoje założenia i po tym odkryciu umieścił dwa magnesy po obu stronach rury. To włączenie wpłynęło również na pewne odchylenia promienia katodowego.

Analizując powiązane pole magnetyczne, Thomson był w stanie określić stosunek masy do ładunku cząstek subatomowych i wykrył, że masa każdej cząstki subatomowej była pomijalna w porównaniu z masą atomową.

JJ Thomson stworzył urządzenie, które poprzedzało wynalazek i doskonałość tego, co obecnie znane jest jako spektrometr mas.

Urządzenie to wykonuje dość dokładny pomiar zależności między masą a ładunkiem jonów, co daje niezwykle użyteczne informacje do określenia składu pierwiastków występujących w przyrodzie.

Powtarzanie eksperymentu

Thomson wielokrotnie przeprowadzał ten sam eksperyment, modyfikując metale używane do umieszczania elektrod w kineskopie.

Ostatecznie ustalił, że właściwości wiązki pozostają stałe, niezależnie od materiału użytego do elektrod. Oznacza to, że czynnik ten nie był determinujący w wykonaniu eksperymentu.

Badania Thomsona były bardzo przydatne do wyjaśnienia struktury molekularnej niektórych substancji, jak również tworzenia wiązań atomowych.

Postulaty

Model Thomsona zawierał w jednym stwierdzeniu korzystne wnioski brytyjskiego naukowca Johna Daltona na temat struktury atomowej i wskazywał na obecność elektronów w każdym atomie.

Ponadto Thomson przeprowadził również kilka badań protonów w gazie neonowym, wykazując w ten sposób neutralność elektryczną atomów. Jednak ładunek dodatni na atomie zaproponowano jako masę jednolitą, a nie jako cząstki.

Eksperyment Thomsona z promieniami katodowymi pozwolił na sformułowanie następujących postulatów naukowych:

- Promień katodowy składa się z cząstek subatomowych o ładunku ujemnym. Thomson początkowo zdefiniował te cząstki jako „cząsteczki”.

- Masa każdej cząstki subatomowej jest zaledwie 0, 0005 razy większa od masy atomu wodoru.

- Te cząstki subatomowe znajdują się we wszystkich atomach wszystkich elementów Ziemi.

- Atomy są obojętne elektrycznie; to znaczy ujemny ładunek „ciałek” jest zrównany z ładunkiem dodatnim protonów.

Kontrowersyjny model

Model atomowy Thomsona był wysoce kontrowersyjny w środowisku naukowym, ponieważ był sprzeczny z modelem atomowym Daltona.

Ten ostatni postulował, że atomy są niepodzielnymi jednostkami, pomimo kombinacji, które mogą powstać podczas reakcji chemicznych.

Dlatego Dalton nie rozważał istnienia cząsteczek subatomowych - takich jak elektrony - w atomach.

Natomiast Thomson znalazł nowatorski model, który dostarczył alternatywnego wyjaśnienia składu atomowego i subatomowego po odkryciu elektronu.

Model atomowy Thomsona został szybko ujawniony przez porównanie z popularnym angielskim deserem „budyń śliwkowy”. Masa budyniu symbolizuje integralny widok atomu, a śliwki reprezentują każdy z elektronów tworzących atom.

Ograniczenia

Model zaproponowany przez Thomsona cieszył się wówczas dużą popularnością i akceptacją i służył jako punkt wyjścia do zbadania struktury atomowej i udoskonalenia powiązanych szczegółów.

Największą przyczyną akceptacji modelu było to, jak dobrze dostosowało się do obserwacji eksperymentów z katodą Thomsona.

Model ten miał jednak istotne możliwości poprawy w celu wyjaśnienia rozkładu ładunków elektrycznych w atomie, zarówno ładunków dodatnich, jak i ujemnych.

Badania Rutherfod

Później, w dekadzie 1910 r., Szkoła naukowa kierowana przez Thomsona kontynuowała badania nad modelami struktury atomowej.

W ten sposób Ernest Rutherford, były uczeń Thomsona, określił ograniczenia modelu atomowego Thomsona w towarzystwie brytyjskiego fizyka Ernesta Marsdena i niemieckiego fizyka Hansa Geigera.

Trójka naukowców przeprowadziła kilka eksperymentów z cząstkami alfa (α), tj. Zjonizowanymi jądrami cząsteczek 4He, bez otoczenia elektronów.

Ten rodzaj cząstek składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, dlatego przeważa ładunek dodatni. Cząstki alfa są wytwarzane w reakcjach jądrowych lub w eksperymentach z rozpadem radioaktywnym.

Rutherford zaprojektował układ, który pozwolił ocenić zachowanie cząstek alfa podczas przekraczania substancji stałych, takich jak na przykład arkusze złota.

W analizie ścieżki wykryto, że niektóre cząstki prezentowały kąt odchylenia podczas penetracji arkuszy złota. W innych przypadkach zauważono również lekkie odbicie w elemencie uderzenia.

Po badaniach cząstek alfa Rutherfod, Marsden i Geiger zaprzeczyli modelowi atomowemu Thomsona i zaproponowali nową strukturę atomową.

Nowa propozycja

Kontrpropozycja Rutherforda i jego współpracowników polegała na tym, że atom składa się z małego rdzenia o dużej gęstości, w którym skupiono wokół niego ładunki dodatnie i pierścień elektronów.

Odkrycie jądra atomowego przez Rutherforda przyniosło nowe powietrze społeczności naukowej. Jednak lata później ten model został również odwołany i zastąpiony przez model atomowy Bohra.