THOMSONA ATOMU MODELIS: RAKSTURLIELUMI, POSTULĀTI, SUBATOMISKĀS DAĻIŅAS - FIZISKĀ - 2025

Atoma modelis Thomson tika izveidota ar slavenā angļu fiziķis JJ Thomson, kurš atklāja elektronu. Par šo atklājumu un darbu pie elektriskās vadīšanas gāzēs viņam tika piešķirta 1906. gada Nobela prēmija fizikā.

No viņa darba ar katoda stariem kļuva skaidrs, ka atoms nav dalāma vienība, kā Daltons bija postulējis iepriekšējā modelī, bet satur labi definētu iekšējo struktūru.

Thomsons izveidoja atoma modeli, pamatojoties uz viņa eksperimentu ar katoda stariem rezultātiem. Tajā viņš paziņoja, ka elektriski neitrālais atoms sastāv no pozitīviem un negatīviem vienāda lieluma lādiņiem.

Kā sauca Thomson atomu modeli un kāpēc?

Pēc Thomsona teiktā, pozitīvais lādiņš tika sadalīts visā atomā un negatīvās lādiņas tajā bija iestrādātas tā, it kā tās būtu rozīnes pudiņā. No šī salīdzinājuma nāca termins "rozīņu pudiņš", jo modelis bija neoficiāli pazīstams.

Džozefs Džons Tomssons

Lai gan Thomson ideja šodien izskatās diezgan primitīva, tajā laikā tā pārstāvēja jaunu ieguldījumu. Īsajā modeļa darbības laikā (no 1904. līdz 1910. gadam) tam bija daudzu zinātnieku atbalsts, lai gan daudzi citi to uzskatīja par ķecerību.

Beidzot 1910. gadā parādījās jauni pierādījumi par atomu struktūru, un Tomsa modelis ātri nokrita uz sāniem. Tas notika, tiklīdz Rutherfords publicēja savu izkliedes eksperimentu rezultātus, kas atklāja atoma kodola esamību.

Tomēr Thomsona modelis bija pirmais, kas postulēja subatomisko daļiņu esamību, un tā rezultāti bija smalka un stingra eksperimenta rezultāts. Tādā veidā viņš izveidoja precedentu visiem sekojošajiem atklājumiem.

Thomson modeļa raksturojums un postulāti

Tomsons ieradās pie sava atomu modeļa, balstoties uz vairākiem novērojumiem. Pirmais bija tas, ka rentgenstari, ko jaunatklāja Roentgen, bija spējīgi jonizēt gaisa molekulas. Līdz tam vienīgais jonizācijas veids bija jonu ķīmiska atdalīšana šķīdumā.

Bet angļu fiziķim ar rentgena staru palīdzību izdevās veiksmīgi jonizēt pat tādas viendabīgas gāzes kā hēlijs, kas viņam lika domāt, ka atoma iekšpusē esošo lādiņu var atdalīt un tāpēc tas nav dalāms. Viņš arī novēroja, ka katoda stari tos var novirzīt ar elektrisko un magnētisko lauku palīdzību.

Dž. Tomssons, elektronu atklājējs. Avots: Lifeder.

Tātad Thomsons izstrādāja modeli, kas pareizi izskaidroja faktu, ka atoms ir elektriski neitrāls un katoda stari sastāv no negatīvi lādētām daļiņām.

Izmantojot eksperimentālus pierādījumus, Thomsons atomu raksturoja šādi:

-Atoms ir elektriski neitrāla cieta lode ar aptuvenu rādiusu ^10–10 m.

-Pozitīvais lādiņš ir vairāk vai mazāk vienmērīgi sadalīts visā sfērā.

-Atomā ir negatīvi lādēti “asinsķermenīši”, kas nodrošina tā neitralitāti.

-Šie asinsķermenīši ir vienādi visai matērijai.

-Kad atoms ir līdzsvarā, pozitīvā lādiņa sfērā ir n korpusi, kas regulāri izvietoti gredzenos.

-Atoma masa ir vienmērīgi sadalīta.

Katodu stari

Elektronu stars tiek novirzīts no katoda uz anodu.

Thomsons veica savus eksperimentus, izmantojot katoda starus, kas tika atklāti 1859. gadā. Katodu stari ir negatīvi lādētu daļiņu saišķi. Lai tos izgatavotu, tiek izmantotas vakuuma stikla caurules, kurās ir ievietoti divi elektrodi, kurus sauc par katodu un anodu.

Tad tiek nodota elektriskā strāva, kas uzsilda katodu, kas šādā veidā izstaro neredzamu starojumu, kas tiek novirzīts tieši uz pretējo elektrodu.

Lai noteiktu starojumu, kas nav nekas cits kā katoda stari, caurules siena aiz anoda ir pārklāta ar dienasgaismas materiālu. Kad starojums nonāk tur, caurules siena izstaro intensīvu spožumu.

Ja ciets priekšmets nonāk katodstaru virzienā, tas met ēnu uz mēģenes sienas. Tas norāda, ka stari pārvietojas taisnā līnijā, kā arī to, ka tos var viegli bloķēt.

Plaši tika apspriests katodstaru raksturs, jo to raksturs nebija zināms. Daži uzskatīja, ka tie ir elektromagnētiska tipa viļņi, bet citi apgalvoja, ka tie ir daļiņas.

Subatomiskās daļiņas no Thomsona atomu modeļa

Thomsona atomu modelis, kā mēs teicām, ir pirmais, kurš postulē subatomisko daļiņu esamību. Tomsona asinsķermenīši nav nekas cits kā elektroni, galvenās negatīvi lādētās atoma daļiņas.

Tagad mēs zinām, ka pārējās divas pamata daļiņas ir pozitīvi lādēts protons un neuzlādēts neitrons.

Bet tie netika atklāti laikā, kad Thomsons izstrādāja savu modeli. Atomā esošais pozitīvais lādiņš tajā tika izplatīts, tā neuzskatīja nevienu daļiņu, kas šo lādiņu nestu, un šobrīd nebija pierādījumu par tā esamību.

Šī iemesla dēļ viņa modelim bija īslaicīga pastāvēšana, jo dažu gadu laikā Rutherforda izkliedes eksperimenti pavēra ceļu protona atklāšanai. Runājot par neitronu, pats Rutherfords ierosināja tā pastāvēšanu dažus gadus pirms tā galīgā atklāšanas.

Crookes caurule

Sir William Crookes (1832–1919) projektēja cauruli, kas viņa vārdā tika ap 1870. gadu, ar nolūku rūpīgi izpētīt katoda staru raksturu. Viņš pievienoja elektriskos laukus un magnētiskos laukus un novēroja, ka stari tos novirza.

Katodstaru lampu shēma. Avots: Knight, R.

Tādā veidā Crookes un citi pētnieki, ieskaitot Thomson, atklāja, ka:

1. Katodstaru caurulē tika ģenerēta elektriskā strāva
2. Stari tika novirzīti ar magnētisko lauku klātbūtni tādā pašā veidā kā negatīvi lādētas daļiņas.
3. Jebkurš katoda izgatavošanai izmantotais metāls vienlīdz labi ražoja katoda starus, un viņu izturēšanās nebija atkarīga no materiāla.

Šie novērojumi izraisīja diskusijas par katodu staru izcelsmi. Tie, kas apgalvoja, ka tie ir viļņi, balstījās uz faktu, ka katoda stari var pārvietoties taisnā līnijā. Turklāt šī hipotēze ļoti labi izskaidroja ēnu, ko ievietots ievietots ciets priekšmets metās uz caurules sienas, un noteiktos apstākļos bija zināms, ka viļņi var izraisīt fluorescenci.

Tā vietā nebija saprotams, kā magnētiskajiem laukiem bija iespējams novirzīt katoda starus. To varētu izskaidrot tikai tad, ja šie stari tiktu uzskatīti par daļiņām - hipotēze, kurai piekrita Thomsons.

Uzlādētas daļiņas vienādos elektriskos un magnētiskos laukos

Uzlādēta daļiņa ar lādiņu q izjūt Fe spēku ar vienāda elektriskā lauka E vidu:

Fe = qE

Kad uzlādēta daļiņa perpendikulāri iet caur vienveidīgu elektrisko lauku, piemēram, tādu, kāds rodas starp divām plāksnēm ar pretējiem lādiņiem, tā piedzīvo novirzi un attiecīgi paātrinājumu:

qE = ma

a = qE / m

No otras puses, ja uzlādētā daļiņa pārvietojas ar ātrumu v ar lielumu B, vienmērīga magnētiskā lauka vidū, magnētiskajam spēkam Fm, kuru tas izjūt, ir šāda intensitāte:

Fm = qvB

Kamēr ātruma un magnētiskā lauka vektori ir perpendikulāri. Kad uzlādēta daļiņa ir perpendikulāra viendabīgam magnētiskajam laukam, tā arī iziet un tā kustība ir vienmērīga apļveida kustība.

Centripetālais paātrinājums a _c šajā gadījumā ir:

qvB = ma _c

Centripetālais paātrinājums savukārt ir saistīts ar daļiņas ātrumu v un riņķveida ceļa rādiusu R:

a _c = v ² / R

Tādējādi:

qvB = mv ² / R

Apļveida ceļa rādiusu var aprēķināt šādi:

R = mv / qB

Vēlāk šie vienādojumi tiks izmantoti, lai atjaunotu veidu, kā Tomsons ieguva elektrona lādiņa un masas attiecības.

Thomsona eksperiments

Tomssons caur vienveidīgiem elektriskajiem laukiem izlaida katodstaru staru, elektronu staru, kaut arī viņš to vēl nezināja. Šie lauki tiek izveidoti starp divām uzlādētām vadošām plāksnēm, kuras atdala neliels attālums.

Viņš arī caur katoda stariem izlaida caur vienmērīgu magnētisko lauku, novērojot tā ietekmi uz staru. Gan vienā, gan otrā laukā bija vērojama staru novirze, kas Thomsonam lika pareizi domāt, ka staru kūli veido lādētas daļiņas.

Lai to pārbaudītu, Thomson veica vairākas stratēģijas ar katoda stariem:

1. Viņš mainīja elektrisko un magnētisko lauku, līdz spēki izzuda. Tādā veidā katoda stari izgāja cauri, nejūtot novirzi. Vienādojot elektriskos un magnētiskos spēkus, Thomsons spēja noteikt starojumā esošo daļiņu ātrumu.
2. Viņš atcēla elektriskā lauka intensitāti, šādā veidā daļiņas sekoja riņķveida ceļam magnētiskā lauka vidū.
3. Viņš apvienoja 1. un 2. posma rezultātus, lai noteiktu "asinsķermenīšu" lādiņa un masas attiecības.

Elektrona lādiņa un masas attiecība

Thomsons noteica, ka daļiņu, kas veidoja katodstaru staru, lādēšanas un masas attiecībai ir šāda vērtība:

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

Kur q apzīmē "asinsķermenīšu" lādiņu, kas faktiski ir elektrons, un m ir tā masa. Thomson sekoja iepriekšējā sadaļā aprakstītajai procedūrai, kuru mēs šeit atjaunojām soli pa solim ar viņa izmantotajiem vienādojumiem.

Kad katoda stari iziet cauri šķērsotajiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, tie iziet bez novirzes. Kad elektriskais lauks tiek atcelts, tie skar caurules augšējo daļu (magnētisko lauku norāda ar ziliem punktiem starp elektrodiem). Avots: Knight, R.

1. solis

Vienāds ar elektrisko spēku un magnētisko spēku, izejot staru caur perpendikulāriem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem:

qvB = qE

2. solis

Nosaka ātrumu, ko daļiņas iegūst starā, kad tās tieši šķērso bez novirzes:

v = E / B

3. solis

Atcelt elektrisko lauku, atstājot tikai magnētisko lauku (tagad ir novirze):

R = mv / qB

Ar v = E / B tas iegūst:

R = mE / qB ²

Orbītas rādiusu var izmērīt, tāpēc:

q / m = v / RB

Nu labi:

q / m = E / RB ²

Nākamie soļi

Nākamais, ko izdarīja Thomsons, bija mēra q / m attiecību, izmantojot katodus, kas izgatavoti no dažādiem materiāliem. Kā jau minēts iepriekš, visi metāli izstaro katoda starus ar identiskām īpašībām.

Pēc tam Thomsons salīdzināja to vērtības ar ūdeņraža jona attiecības q / m vērtībām, kas iegūtas elektrolīzē un kuru vērtība ir aptuveni 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Elektrona lādiņa un masas attiecība ir aptuveni 1750 reizes lielāka par ūdeņraža jonu.

Tāpēc katoda stariem bija daudz lielāka lādiņa vai, iespējams, masa daudz mazāka nekā ūdeņraža jonam. Ūdeņraža jons ir vienkārši protons, par kura esamību kļuva zināms ilgi pēc Rutherforda izkliedes eksperimentiem.

Mūsdienās ir zināms, ka protons ir gandrīz 1800 reizes masīvāks par elektronu un ar tāda paša lieluma un pretējas zīmes lādiņu kā elektrons.

Vēl viena svarīga detaļa ir tā, ka ar Thomsona eksperimentiem netika noteikts tieši elektrona elektriskais lādiņš, kā arī tā masas vērtība atsevišķi. Šīs vērtības noteica Millikana eksperimenti, kas sākās 1906. gadā.

Thomson un Dalton modeļa atšķirības

Šo divu modeļu galvenā atšķirība ir tā, ka Daltons domāja, ka atoms ir lode. Pretēji Thomsonam, viņš neierosināja pozitīvu vai negatīvu apsūdzību esamību. Daltonam atoms izskatījās šādi:

Daltona atoms

Kā mēs redzējām iepriekš, Thomson domāja, ka atoms ir dalāms un kura struktūru veido pozitīva sfēra un ap to esošie elektroni.

Modeļa trūkumi un ierobežojumi

Tajā laikā Thomsona atomu modelim izdevās ļoti labi izskaidrot vielu ķīmisko izturēšanos. Viņš arī precīzi izskaidroja parādības, kas notika katodstaru caurulē.

Bet patiesībā Thomsons pat nesauca savas daļiņas par "elektroniem", lai gan šo terminu iepriekš bija izveidojis Džordžs Džonstons Stonejs. Thomson tos vienkārši sauca par “asinsķermenīšiem”.

Lai gan Thomsons izmantoja visas tajā laikā pieejamās zināšanas, viņa modelim ir vairāki svarīgi ierobežojumi, kas parādījās ļoti agri:

- pozitīvais lādiņš nav sadalīts visā atomā . Rutherforda izkliedes eksperimenti parādīja, ka atoma pozitīvais lādiņš noteikti ir ierobežots ar nelielu atoma reģionu, kas vēlāk kļuva pazīstams kā atoma kodols.

- elektroniem ir īpašs sadalījums katrā atomā . Elektroni nav vienmērīgi sadalīti, piemēram, rozīnes slavenajā pudiņā, bet to vietā orbitālē ir izvietojums, ko vēlāk atklāja modeļi.

Tieši elektronu izvietojums atomā ļauj periodiskos tabulā sakārtot elementus pēc to īpašībām un īpašībām. Tas bija svarīgs Thomson modeļa ierobežojums, kas nespēja izskaidrot, kā šādā veidā bija iespējams pasūtīt elementus.

- Atomu kodols ir tas, kas satur lielāko masas daļu. Tomsona modelis postulēja, ka atoma masa tajā ir vienmērīgi sadalīta. Bet šodien mēs zinām, ka atoma masa ir praktiski koncentrēta kodola protonos un neitronos.

Ir arī svarīgi atzīmēt, ka šis atoma modelis neļāva izsecināt kustības veidu, kāds elektroniem bija atomā.

Interesanti raksti

Šrēdingera atomu modelis.

De Broglie atomu modelis.

Čadvika atomu modelis.

Heizenberga atomu modelis.

Perrina atomu modelis.

Daltona atomu modelis.

Diraka Jordānijas atomu modelis.

Democritus atomu modelis.

Boha atoma modelis.

Sommerfelda atomu modelis.

Atsauces

1. Andriessen, M. 2001. HSC kurss. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitātes fizika. Akadēmiskā prese.
3. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
4. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
5. Wikipedia. Tomsa atoma modelis. Atgūts no: es.wikipedia.org.