THOMSON-OV ATOMSKI MODEL: KARAKTERISTIKE, POSTULATI, SUBATOMSKE ČESTICE - FIZIČKA - 2024

Atomski model Thomson je izrađen od strane slavnog engleskog fizičara JJ Thomson, koji je otkrio elektron. Za ovo otkriće i svoj rad na električnoj vodljivosti u plinovima dobio je 1906. Nobelovu nagradu za fiziku.

Iz njegovog rada s katodnim zracima postalo je jasno da atom nije nedjeljiv entitet, kao što je Dalton postulirao u prethodnom modelu, ali sadrži dobro definiranu unutarnju strukturu.

Thomson je napravio model atoma na temelju rezultata svojih pokusa s katodnim zrakama. U njemu je naveo da je električno neutralni atom sastavljen od pozitivnih i negativnih naboja jednake veličine.

Kako se zvao Thomson-ov atomski model i zašto?

Prema Thomsonu, pozitivni naboj bio je raspodijeljen po cijelom atomu, a negativni naboji su bili ugrađeni u njega kao da su grožđice u pudingu. Iz ove usporedbe proizašao je izraz "puding od grožđica", kako je model bio neformalno poznat.

Joseph John Thomson

Iako Thomson-ova ideja danas izgleda prilično primitivno, u vrijeme kada je predstavljala doprinos romanu. Tijekom kratkog vijeka modela (od 1904. do 1910.) imao je podršku mnogih znanstvenika, iako su ga mnogi drugi smatrali krivovjerjem.

Konačno 1910. godine pojavili su se novi dokazi o strukturi atoma, a Thomson je model brzo pao na stranu. To se dogodilo čim je Rutherford objavio rezultate svojih pokusa raspršivanja, koji su otkrili postojanje atomskog jezgra.

Međutim, Thomson je model bio prvi koji je postulirao postojanje subatomskih čestica i njegovi su rezultati plod finih i rigoroznih eksperimentiranja. Na taj je način postavio presedan za sva otkrića koja su uslijedila.

Karakteristike i postulati Thomson modela

Thomson je došao do svog atomskog modela na temelju nekoliko promatranja. Prvi je bio da su rendgenske zrake koje je nedavno otkrio Roentgen sposobne ionizirati molekule zraka. Do tada, jedini način ionizacije bio je kemijskim odvajanjem iona u otopini.

No, engleski fizičar uspio je ionizijskim plinovima, poput helija, uspješno ionizirati pomoću X-zraka, što ga je navelo da vjeruje da se naboj unutar atoma može odvojiti i da stoga nije nedjeljiv. Također je promatrao katodne zrake mogli bi se odbiti električnim i magnetskim poljem.

JJ Thomson, otkrivač elektrona. Izvor: Lifeder.

Tako je Thomson smislio model koji je ispravno objasnio činjenicu da je atom električno neutralan i da su katodne zrake sastavljene od negativno nabijenih čestica.

Koristeći eksperimentalne dokaze, Thomson je okarakterizirao atom na sljedeći način:

-Atom je električno neutralna kruta sfera, približni polumjer od 10 ^-10 m.

-Pozitivni naboj raspoređuje se više ili manje jednoliko po sferi.

-Atom sadrži negativno nabijene "korpuske" koji osiguravaju njegovu neutralnost.

-Ovi su tijeli jednaki za svu materiju.

-Kada je atom u ravnoteži, u sferi pozitivnog naboja redovito su raspoređeni n corpuscles.

-Maza atoma je ravnomjerno raspoređena.

Katodne zrake

Zračenje elektrona usmjereno je od katode do anode.

Thomson je izveo svoje eksperimente pomoću katodnih zraka, otkrivenih 1859. Katodne zrake su snopi negativno nabijenih čestica. Da bi se proizvele, koriste se vakuumske staklene cijevi, u koje su postavljene dvije elektrode, nazvane katoda i anoda.

Zatim se prenosi električna struja koja zagrijava katodu, koja na taj način odašilje nevidljivo zračenje koje je usmjereno izravno na suprotnu elektrodu.

Za otkrivanje zračenja, koje nije ništa drugo do katodne zrake, zid cijevi iza anode prekriven je fluorescentnim materijalom. Kad zračenje stigne tamo, stijenka cijevi odaje intenzivnu svjetlinu.

Ako čvrsti predmet na putu katodnim zracima stavi sjenu na zid cijevi. To ukazuje da zrake putuju u pravoj liniji, a također i da se mogu lako blokirati.

O prirodi katodnih zraka široko se raspravljalo, jer je njihova priroda bila nepoznata. Neki su mislili da su to valovi elektromagnetskog tipa, dok su drugi tvrdili da su čestice.

Subatomske čestice iz Thomsonovog atomskog modela

Thomson je atomski model, kao što smo rekli, prvi koji je postulirao postojanje subatomskih čestica. Thomsonovi trupci nisu ništa drugo do elektroni, temeljne negativno nabijene čestice atoma.

Sada znamo da su ostale dvije temeljne čestice pozitivno nabijeni protoni i neispunjeni neutron.

Ali to nisu otkriveni u vrijeme kada je Thomson razvio svoj model. Pozitivni naboj atoma bio je raspodijeljen u njemu, nije smatrao da niti jedna čestica nosi taj naboj i trenutno nije bilo dokaza o njegovom postojanju.

Iz tog je razloga njegov model postojao brzo, budući da su tijekom nekoliko godina Rutherfordovi pokusi raspršivanja otvorili put za otkrivanje protona. A što se tiče neutrona, sam Rutherford predložio je njegovo postojanje nekoliko godina prije nego što je konačno otkriven.

Crookes cijev

Sir William Crookes (1832-1919) dizajnirao je cijev koja nosi njegovo ime oko 1870. godine, s namjerom da pažljivo prouči prirodu katodnih zraka. Dodao je električna i magnetska polja, i opazio da ih zrake odbijaju.

Shema katodnih cijevi Izvor: Knight, R.

Na ovaj način, Crookes i drugi istraživači, uključujući Thomson, otkrili su da:

1. Unutar katodne cijevi nastala je električna struja
2. Zrake se odbijaju od prisutnosti magnetskih polja, na isti način kao i negativno nabijene čestice.
3. Bilo koji metal korišten za izradu katode bio je podjednako dobar u proizvodnji katodnih zraka, a njihovo ponašanje bilo je neovisno o materijalu.

Ova su zapažanja potaknula raspravu o podrijetlu katodnih zraka. Oni koji su tvrdili da su to valovi, temeljili su se na činjenici da katodne zrake mogu putovati ravno. Nadalje, ova je hipoteza vrlo dobro objasnila sjenu koju je bacio čvrsti umetnuti objekt na zid cijevi i pod određenim okolnostima bilo je poznato da valovi mogu izazvati fluorescenciju.

Ali umjesto toga, nije bilo razumljivo kako je moguće da magnetska polja odbiju katodne zrake. To se moglo objasniti samo ako se te zrake smatraju česticama, hipoteza koju je Thomson dijelio.

Napunjene čestice u jednoličnom električnom i magnetskom polju

Nabijena čestica sa nabojem q doživljava silu Fe usred jednoličnog električnog polja E, veličine:

Fe = qE

Kada nabijena čestica okomito prođe kroz jednolično električno polje, poput onog koje se stvara između dvije ploče s suprotnim nabojima, doživljava otklon i posljedično ubrzanje:

qE = ma

a = qE / m

S druge strane, ako se nabijena čestica kreće brzinom magnitude v, usred jednoga magnetskog polja magnitude B, magnetska sila Fm koju doživljava ima sljedeći intenzitet:

Fm = qvB

Sve dok su vektori brzine i magnetskog polja okomiti. Kad je nabijena čestica okomita na homogeno magnetsko polje, tada se i ona pomiče i njeno je gibanje ujednačeno kružno.

Centripetalno ubrzanje a _c u ovom slučaju je:

qvB = ma _c

Zauzvrat, centripetalno ubrzanje je povezano sa brzinom čestice v i polumjerom R kružnog puta:

a _c = v ² / R

Tako:

qvB = mv ² / R

Polumjer kružne staze može se izračunati na sljedeći način:

R = mv / qB

Kasnije će se te jednadžbe iskoristiti za ponovno stvaranje načina na koji je Thomson izveo odnos naelektrisanja-mase elektrona.

Thomson eksperiment

Thomson je prošao snop katodnih zraka, snop elektrona, iako to još nije znao, kroz ujednačena električna polja. Ta su polja stvorena između dvije nabijene vodljive ploče odvojene malom udaljenošću.

Također je prošao katodne zrake kroz jednolično magnetsko polje, promatrajući učinak koji je to imao na zraku. I u jednom i u drugom polju došlo je do otklona u zrakama, što je navelo Thomsona da ispravno pomisli da je snop sastavljen od nabijenih čestica.

Da bi to potvrdio, Thomson je izveo nekoliko strategija s katodnim zrakama:

1. Razmjeravao je električno i magnetsko polje dok snage nisu otkazale. Na taj su način katodne zrake prolazile bez probijanja. Izjednačavanjem električnih i magnetskih sila, Thomson je uspio odrediti brzinu čestica u snopu.
2. Poništio je intenzitet električnog polja, na taj su način čestice slijedile kružnu stazu u sredini magnetskog polja.
3. Kombinirao je rezultate koraka 1 i 2 kako bi odredio odnos naelektrisanja i mase „tjelesnih tijela“.

Omjer naelektrisanja i mase elektrona

Thomson je utvrdio da omjer naboja i mase čestica koje čine katodne zrake ima sljedeću vrijednost:

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

Tamo gdje q predstavlja naboj "korpusa", koji je zapravo elektron, a m njegova masa. Thomson je slijedio postupak opisan u prethodnom odjeljku, koji smo ovdje rekreirali korak po korak, s jednadžbama koje je koristio.

Kad katodne zrake prođu kroz prekrižena električna i magnetska polja, one prolaze bez progiba. Kada se električno polje otkaže, oni udaraju u gornji dio cijevi (magnetsko polje je označeno plavim točkama između elektroda). Izvor: Knight, R.

Korak 1

Izjednačite električnu i magnetsku silu, prolazeći zraku kroz okomita električna i magnetska polja:

qvB = qE

Korak 2

Odredite brzinu koju čestice dobivaju u snopu kada prolaze izravno bez progiba:

v = E / B

3. korak

Otkažite električno polje i ostavite samo magnetsko polje (sada je došlo do otklona):

R = mv / qB

S v = E / B to rezultira:

R = mE / qB ²

Polumjer orbite se može mjeriti, dakle:

q / m = v / RB

O dobro:

q / m = E / RB ²

Sljedeći koraci

Sljedeće što je Thomson učinio bilo je mjerenje omjera q / m koristeći katode izrađene od različitih materijala. Kao što je ranije spomenuto, svi metali emituju katodne zrake s identičnim karakteristikama.

Zatim je Thomson usporedio svoje vrijednosti s omjerom q / m vodikovog iona, dobivenim elektrolizom i čija je vrijednost otprilike 1 x 10 ⁸ C / kg. Omjer naelektrisanja i mase elektrona otprilike je 1750 puta odnos vodikovog iona.

Stoga su katodne zrake imale puno veći naboj, ili možda masu mnogo manju od mase vodikova iona. Vodikov ion je jednostavno proton, čije je postojanje postalo poznato dugo nakon Rutherfordovih pokusa raspršivanja.

Danas je poznato da je proton gotovo 1800 puta masivniji od elektrona i sa nabojem jednake veličine i suprotno znaku kao i elektron.

Drugi je važan detalj da s Thomsonovim eksperimentima električni naboj elektrona nije određen izravno, niti vrijednost njegove mase odvojeno. Te su vrijednosti utvrđene Millikanovim pokusima koji su započeli 1906. godine.

Razlike u modelu Thomsona i Daltona

Temeljna razlika ova dva modela je u tome što je Dalton mislio da je atom sfera. Suprotno Thomsonu, nije predložio postojanje pozitivnih ili negativnih optužbi. Za Dalton je atom izgledao ovako:

Daltonov atom

Kao što smo vidjeli prije, Thomson je smatrao da je atom djeljiv i čiju strukturu tvori pozitivna sfera i elektroni oko njega.

Nedostaci i ograničenja modela

Tada je Thomson-ov atomski model uspio vrlo dobro objasniti kemijsko ponašanje tvari. Također je precizno objasnio pojave koje su se dogodile u katodnoj cijevi.

Ali zapravo Thomson svoje čestice nije nazivao "elektronima", iako je taj termin već skovao George Johnstone Stoney. Thomson ih je jednostavno nazvao "tjelesnim tijelima".

Iako je Thomson iskoristio sve znanje koje mu je tada bilo dostupno, u njegovom modelu postoji nekoliko važnih ograničenja koja su postala očita vrlo rano:

- Pozitivni naboj nije raspodijeljen po atomu. Rutherfordovi pokusi raspršivanja pokazali su da je pozitivno naelektrenje atoma nužno ograničeno na malom području atoma, koje je kasnije postalo poznato kao atomsko jezgro.

- Elektroni imaju specifičnu raspodjelu unutar svakog atoma. Elektroni nisu ravnomjerno raspoređeni, poput grožđica u čuvenom pudingu, već umjesto toga imaju raspored u orbitama što su otkrili kasniji modeli.

Upravo raspored elektrona unutar atoma omogućava organiziranje elemenata prema njihovim karakteristikama i svojstvima u periodičnoj tablici. To je bilo važno ograničenje Thomson-ovog modela, koje nije moglo objasniti kako je moguće na ovaj način naručiti elemente.

- Atomsko jezgro je ono koje sadrži većinu mase. Thomson je model postulirao da je masa atoma ravnomjerno raspoređena unutar njega. Ali danas znamo da je masa atoma praktično koncentrirana u protonima i neutronima jezgre.

Također je važno napomenuti da ovaj model atoma nije dopuštao zaključivanje tipa kretanja koji su imali elektroni unutar atoma.

Članci interesa

Schrödingerov atomski model.

De Broglieov atomski model.

Chadwickov atomski model.

Heisenbergov atomski model.

Perrinov atomski model.

Daltonov atomski model.

Atomski model Dirac Jordana.

Atomski model Demokrita.

Bohrov atomski model.

Sommerfeldov atomski model.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. HSC tečaj. Fizika 2. Jacaranda HSC znanost.
2. Arfken, G. 1984. Sveučilišna fizika. Akademska štampa.
3. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
5. Wikipedia. Thomson-ov atomski model. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.