THOMSON ATOMMODELLJE: JELLEMZŐK, POSZTULÁCIÓK, SZUBATOMI RÉSZECSKÉK - FIZIKAI - 2025

A Thomson atommodelljét a híres angol fizikus, JJ Thomson készítette, aki felfedezte az elektronot. E felfedezéséért és a gázok villamos vezetőképességével kapcsolatos munkájáért az 1906-os fizikai Nobel-díjat kapott.

A katódsugárral végzett munkájából világossá vált, hogy az atom nem oszthatatlan entitás, ahogyan Dalton az előző modellben posztulálta, hanem egy jól meghatározott belső szerkezetet tartalmazott.

Thomson a katódsugárral végzett kísérleteinek eredményei alapján elkészítette az atom modelljét. Ebben kijelentette, hogy az elektromosan semleges atom pozitív és negatív töltésekből áll, azonos nagyságrendű.

Mi volt a Thomson atommodell neve és miért?

Thomson szerint a pozitív töltés az atom egészében eloszlott, és a negatív töltések úgy ágyazódtak bele, mintha mazsola lenne egy pudingban. Az összehasonlításból származik a "mazsola puding" kifejezés, mivel a modell informálisan ismert volt.

Joseph John Thomson

Noha Thomson gondolata manapság meglehetősen primitívnek tűnik, akkoriban ez újszerű hozzájárulást jelentett. A modell rövid élettartama alatt (1904 és 1910 között) számos tudós támogatta, bár sokan méltatlannak tartották.

Végül 1910-ben új bizonyítékok merültek fel az atomszerkezettel kapcsolatban, és Thomson modellje gyorsan oldalra esett. Ez történt, amint Rutherford közzétette szórási kísérleteinek eredményeit, amelyek felfedték az atommag létezését.

Thomson modellje azonban elsőként állította fel a szubatomi részecskék létezését, és eredményei a finom és szigorú kísérletek eredményei voltak. Ilyen módon precedenst teremtett az azt követő összes felfedezéshez.

A Thomson modell jellemzői és posztulátumai

Thomson több megfigyelés alapján érkezett az atommodelljéhez. Az első az, hogy a Roentgen újonnan felfedezett röntgenképességei képesek ionizálni a levegőmolekulákat. Addig az ionizálás egyetlen módja az ionok kémiai elválasztása volt az oldatban.

De az angol fizikusnak sikerült röntgenfelvételekkel is olyan anatómiai gázokat, mint a hélium, ionizálni, ez arra vezetett, hogy úgy gondolja, hogy az atom belsejében levő töltés elválasztható, és ezért nem oszthatatlan. ezeket elektromos és mágneses terek segítségével el lehet alakítani.

JJ Thomson, az elektron felfedezője. Forrás: Lifeder.

Tehát Thomson kidolgozott egy modellt, amely helyesen magyarázta azt a tényt, hogy az atom elektromos szempontból semleges, és hogy a katód sugarai negatív töltésű részecskékből állnak.

Kísérleti bizonyítékok felhasználásával Thomson az alábbiak szerint jellemezte az atomot:

-A atom egy elektromosan semleges, szilárd gömb, egy hozzávetőleges sugara 10 ^-10 m.

-A pozitív töltés többé-kevésbé egyenletesen oszlik meg az egész gömbön.

-Az atom negatív töltésű "testeket" tartalmaz, amelyek biztosítják semlegességét.

- Ezek a testek minden anyag esetében azonosak.

-Ha az atom egyensúlyban van, n pozitív töltés szférájában rendesen gyűrűkben elrendezett n test található.

-Az atom tömege egyenletesen oszlik meg.

Katód sugarai

Az elektronnyaláb a katódról az anódra irányul.

Thomson kísérleteit katódsugár alkalmazásával végezte, amelyet 1859-ben fedeztek fel. A katód sugarai negatívan töltött részecskék kötegei. Előállításukhoz vákuum üvegcsövet használnak, amelybe két elektród van behelyezve, katódnak és anódnak nevezett.

Ezután egy elektromos áram kerül átadásra, amely melegíti a katódot, és így láthatatlan sugárzást bocsát ki, amelyet közvetlenül az ellenkező elektródra irányít.

A katódos sugarak kivételével a sugárzás kimutatására a cső falát az anód mögött fluoreszcens anyag borítja. Amikor a sugárzás odaér, ​​a cső fala intenzív fényerőt bocsát ki.

Ha egy szilárd tárgy bejut a katódsugár útjába, akkor árnyékot vet a cső falára. Ez azt jelzi, hogy a sugarak egyenes vonalban haladnak, és hogy könnyen blokkolhatók.

A katódsugarak természetét széles körben megvitatták, mivel természetük ismeretlen volt. Egyesek szerint elektromágneses típusú hullámok voltak, mások szerint részecskék.

Szubatomikus részecskék Thomson atommodelljéből

A Thomson atommodellje, amint mondtuk, az első állítja a szubatomi részecskék létezését. A Thomson sejtjei nem más, mint elektronok, az atom alapvető negatív töltésű részecskéi.

Most már tudjuk, hogy a másik két alapvető részecske a pozitív töltésű proton és a nem töltött neutron.

De ezeket nem fedezték fel akkor, amikor Thomson kifejlesztette modelljét. Az atomban levő pozitív töltés eloszlott benne, semmilyen részecskét nem vette figyelembe, hogy ezt a töltést hordozza, és jelenleg nem volt bizonyíték annak létezésére.

Emiatt modellje rövidesen létezett, mivel néhány év alatt Rutherford szétszórt kísérletei előkészítették az utat a proton felfedezéséhez. És ami a neutront illeti, Rutherford maga javasolta létezését néhány évvel a végső felfedezés előtt.

Crookes cső

Sir William Crookes (1832-1919) 1870 körül tervezte a nevét viselő csövet azzal a céllal, hogy alaposan megvizsgálja a katód sugarainak természetét. Hozzátette az elektromos és a mágneses tereket, és megfigyelte, hogy a sugarak eltérítik őket.

Katódsugárcső sémája. Forrás: Knight, R.

Ilyen módon Crookes és más kutatók, köztük Thomson, a következőket találták:

1. Elektromos áram jött létre a katódsugárcsőben
2. A sugarak mágneses terek jelenléte révén eltolódtak, ugyanúgy, mint a negatívan töltött részecskék.
3. Bármely fém, amelyet a katód előállításához használtak, ugyanolyan jók voltak a katód sugarainak előállításában, és viselkedésük független volt az anyagtól.

Ezek a megfigyelések táplálták a vitát a katód sugarai származásáról. Azok, akik azt állították, hogy hullámok, azon a tényen alapultak, hogy a katód sugarai egyenes vonalban mozoghatnak. Ezenkívül ez a hipotézis nagyon jól magyarázta az árnyékot, amelyet egy közbeiktatott szilárd tárgy dobott a cső falára, és bizonyos körülmények között ismert volt, hogy a hullámok fluoreszcenciát okozhatnak.

Ehelyett nem értették meg, hogy a mágneses mezők hogyan tudják eltéríteni a katód sugarait. Ez csak akkor magyarázható, ha ezeket a sugarakat részecskéknek tekintik - ez egy hipotézis, amelyet Thomson osztott.

Töltött részecskék egyenletes elektromos és mágneses mezőben

Egy q töltéssel rendelkező töltött részecske Fe erőt érez az egyenletes E elektromos mező közepén:

Fe = qE

Amikor egy töltött részecske merőlegesen halad át egy egyenletes elektromos mezőn, például az ellenkező töltéssel rendelkező két lemez között, akkor az eltérést és következésképpen gyorsulást tapasztal:

qE = ma

a = qE / m

Másrészről, ha a töltött részecske v nagyságú sebességgel mozog, a B nagyságú egységes mágneses mező közepén, akkor az Fm mágneses erő a következő intenzitással rendelkezik:

Fm = qvB

Mindaddig, amíg a sebesség és a mágneses mező vektorok merőlegesek. Ha a töltött részecske merőleges a homogén mágneses mezőre, akkor szintén eltérítést hajt végre, és mozgása egyenletes kör alakú.

A centripetalális gyorsulás a _c ebben az esetben:

qvB = ma _c

A centripetalális gyorsulás viszont a v részecske sebességével és a körút R sugárával függ össze:

a _c = v ² / R

Így:

qvB = mv ² / R

A körpálya sugara a következőképpen számítható ki:

R = mv / qB

Később ezeket az egyenleteket arra fogják használni, hogy újraépítsék azt a módszert, ahogyan Thomson származtatta az elektron töltési-tömeg kapcsolatát.

Thomson kísérlete

Thomson egységes elektromos mezőkön áthaladta a katód sugarait, egy elektronnyalábot, bár még nem tudta. Ezeket a mezőket két, egymástól kis távolságban elválasztott töltött vezető lemez hozza létre.

A katódos sugárzást egységes mágneses mezőn keresztül is átadta, megfigyelve ennek a sugárra gyakorolt ​​hatását. Az egyik mezőben, valamint a másikban a sugarakban eltérés volt tapasztalható, amely miatt Thomson helyesen gondolta, hogy a sugár töltött részecskékből áll.

Ennek igazolására Thomson számos stratégiát hajtott végre katód sugarakkal:

1. Változtatta az elektromos és mágneses tereket, amíg az erők ki nem szűntek. Ilyen módon a katód sugarai áthaladtak anélkül, hogy eltérést tapasztaltak volna. Az elektromos és mágneses erők egyenlőségével Thomson képes volt meghatározni a gerendában lévő részecskék sebességét.
2. Törölte az elektromos mező intenzitását, így a részecskék körkörös úton haladtak a mágneses mező közepén.
3. Összevitte az 1. és 2. lépés eredményeit, hogy meghatározzák a „testtest” töltési és tömeg kapcsolatát.

Az elektron töltési-tömeg aránya

Thomson megállapította, hogy a katód sugarat alkotó részecskék töltési és tömeg aránya a következő értékkel rendelkezik:

q / m = 1,758820 x 1011 C.kg-1.

Ahol q képviseli a "testtest" töltését, amely valójában az elektron, és m a tömege. Thomson az előző szakaszban ismertetett eljárást követte, amelyet itt lépésről lépésre állítunk elő az általa alkalmazott egyenletekkel.

Amikor a katód sugarai áthaladnak a keresztezett elektromos és mágneses tereken, akkor eltérés nélkül haladnak át. Az elektromos mező törlésekor a cső felső részét érik el (a mágneses mezőt az elektródok közötti kék pontok jelzik). Forrás: Knight, R.

1. lépés

Hasonlítsa össze az elektromos erőt és a mágneses erőt, ha a sugár a merőleges elektromos és mágneses tereken halad keresztül:

qvB = qE

2. lépés

Határozzuk meg a sugárrészecskék által elért sebességet, ha azok közvetlenül eltérítés nélkül haladnak át:

v = E / B

3. lépés

Törölje az elektromos mezőt, és csak a mágneses mezőt hagyja el (most van eltérés):

R = mv / qB

V = E / B esetén az eredmény:

R = mE / qB ²

A pálya sugara megmérhető, tehát:

q / m = v / RB

Hát:

q / m = E / RB ²

Következő lépések

A következő dolog, amit Thomson tett, az volt, hogy különböző anyagokból készült katódokkal megmérje a q / m arányt. Mint korábban említettük, az összes fém azonos jellemzőkkel bíró katód sugarat bocsát ki.

Ezután Thomson összehasonlította az elektrolízissel kapott hidrogénion q / m arányának értékével, amelynek értéke megközelítőleg ^1x108 C / kg. Az elektron töltési-tömegaránya körülbelül 1750-szerese a hidrogénionénak.

Ezért a katód sugarai sokkal nagyobb töltéssel, vagy talán sokkal kisebb tömegűek, mint a hidrogénioné. A hidrogénion egyszerűen egy proton, amelynek létezése sokkal Rutherford szóráskísérletei után vált ismertté.

Manapság ismert, hogy a proton majdnem 1800-szor tömegebb, mint az elektron, és ugyanolyan nagyságú töltéssel rendelkezik, mint az elektron ellenkezője.

Fontos részlet az is, hogy Thomson kísérleteivel az elektron elektromos töltését és a tömeg értékét külön nem határozták meg közvetlenül. Ezeket az értékeket az 1906-ban megkezdett Millikan-kísérletek határozták meg.

A Thomson és a Dalton modell különbségei

E két modell alapvető különbsége az, hogy Dalton azt gondolta, hogy az atom gömb. Thomsonnal ellentétben nem javasolta pozitív vagy negatív vádak létezését. Dalton számára egy atom így nézett ki:

Dalton atom

Mint korábban láttuk, Thomson azt gondolta, hogy az atom osztható, és amelynek szerkezetét pozitív gömb és körülötte lévő elektronok alkotják.

Modellhiba és korlátozások

Abban az időben a Thomson atommodellje nagyon jól megmagyarázta az anyagok kémiai viselkedését. Pontosan elmagyarázta a katódsugárban bekövetkező jelenségeket.

De valójában Thomson még a részecskéit sem elektronoknak nevezte, bár a kifejezést George Johnstone Stoney már korábban megalkotta. Thomson egyszerűen „testtestnek” nevezte őket.

Noha Thomson felhasználta az összes rendelkezésre álló tudást abban az időben, modelljének számos fontos korlátja létezik, amelyek nagyon korán váltak nyilvánvalóvá:

- A pozitív töltés nem oszlik meg az atomban. A Rutherford szóráskísérletek azt mutatták, hogy az atom pozitív töltése szükségszerűen az atom kicsi régiójára korlátozódik, amelyet később atommagként ismertek.

- Az elektronok sajátos eloszlással rendelkeznek minden atomon belül. Az elektronok nem oszlanak el egyenletesen, mint a mazsolák a híres pudingban, hanem az orbitális csatornákban elrendezésük van, amelyet a későbbi modellek feltártak.

Pontosan az elektronok elrendezése az atomon belül lehetővé teszi az elemek megszervezését jellemzőik és tulajdonságuk alapján a periódusos táblázatban. Ez a Thomson-modell fontos korlátozása volt, amely nem magyarázta meg, hogyan lehet ilyen módon megrendelni az elemeket.

- Az atommag az, amely a tömeg nagy részét tartalmazza. Thomson modellje azt állította, hogy az atom tömege egyenletesen oszlik meg benne. De ma tudjuk, hogy az atom tömege gyakorlatilag a mag protonjaiba és neutronjaiba koncentrálódik.

Fontos megjegyezni, hogy az atom e modellje nem engedte meg becsülni az atomokon belüli elektronok mozgásának típusát.

Érdekes cikkek

Schrödinger atommodellje.

De Broglie atommodell.

Chadwick atommodellje.

Heisenberg atommodell.

Perrin atommodellje.

Dalton atommodellje.

Dirac Jordan atommodell.

A Democritus atommodellje.

Bohr atommodellje.

Sommerfeld atommodell.

Irodalom

1. Andriessen, M. 2001. HSC tanfolyam. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Egyetemi fizika. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
4. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson.
5. Wikipedia. Thomson atommodellje. Helyreállítva: es.wikipedia.org.