THOMSONS ATOMMODELL: EGENSKAPER, POSTULATER, SUBATOMÆRE PARTIKLER - FYSISK - 2026

Den atommodell Thomson ble skapt av den berømte engelske fysikeren JJ Thomson, som oppdaget elektronet. For denne oppdagelsen og hans arbeid med elektrisk ledning i gasser, ble han tildelt Nobelprisen i fysikk fra 1906.

Fra hans arbeid med katodestråler ble det klart at atomet ikke var en udelelig enhet, slik Dalton hadde postulert i den foregående modellen, men inneholdt en veldefinert indre struktur.

Thomson laget en modell av atomet basert på resultatene fra eksperimentene hans med katodestråler. I den uttalte han at det elektrisk nøytrale atomet var sammensatt av positive og negative ladninger av lik størrelse.

Hva ble Thomsons atommodell kalt og hvorfor?

I følge Thomson ble den positive ladningen fordelt over hele atomet, og de negative ladningene var innebygd i det som om de var rosiner i en pudding. Fra denne sammenligningen kom begrepet "rosinpudding", slik modellen var uformelt kjent.

Joseph John Thomson

Selv om Thomsons idé ser ganske primitiv ut i dag, representerte den den gang et romanbidrag. I løpet av modellens korte levetid (fra 1904 til 1910) hadde den støtte fra mange forskere, selv om mange andre anså det som kjetteri.

Til slutt i 1910 dukket det opp nye bevis for atomstruktur, og Thomsons modell falt raskt til siden. Dette skjedde så snart Rutherford publiserte resultatene fra spredningseksperimentene hans, som avslørte eksistensen av atomkjernen.

Imidlertid var Thomsons modell den første som postulerte eksistensen av subatomære partikler, og resultatene var frukten av fin og streng eksperimentering. På denne måten satte han presedens for alle funnene som fulgte.

Kjennetegn og postulater av Thomson-modellen

Thomson ankom sin atommodell basert på flere observasjoner. Den første var at røntgenstrålene som nylig ble oppdaget av Roentgen var i stand til å ionisere luftmolekyler. Inntil da var den eneste måten å ionisere ved å kjemisk separere ioner i oppløsning.

Men den engelske fysikeren klarte å lykkes med å ionisere selv monatomiske gasser som helium ved å bruke røntgenstråler, noe som førte til at han tro at ladningen inne i atomet kunne skilles, og at den derfor ikke var udelelig. Han observerte også at katodestrålene de kan avlede av elektriske og magnetiske felt.

JJ Thomson, oppdager av elektronet. Kilde: Lifeder.

Så Thomson utviklet en modell som korrekt forklarte det faktum at atomet er elektrisk nøytralt og at katodestråler er sammensatt av negativt ladede partikler.

Ved å bruke eksperimentelle bevis, karakteriserte Thomson atomet på følgende måte:

-Atomet er en elektrisk nøytral fast kule, med en omtrentlig radius på 10 ^-10 m.

-Den positive ladningen fordeles mer eller mindre jevn over hele sfæren.

-Atomet inneholder negativt ladede "lik", som sikrer dets nøytralitet.

-Disse likene er de samme for enhver sak.

-Når atomet er i likevekt, er det regelmessige n legemer anordnet i ringer innenfor den positive ladningens sfære.

-Massen til atomet er jevnt fordelt.

Katodestråler

Elektronstråle ledes fra katoden til anoden.

Thomson utførte sine eksperimenter ved bruk av katodestråler, oppdaget i 1859. Katodestråler er bunter med negativt ladede partikler. For å produsere dem brukes vakuumglassrør, der to elektroder er plassert, kalt katode og anode.

Deretter føres en elektrisk strøm som varmer opp katoden, som på denne måten avgir usynlig stråling som ledes direkte til den motsatte elektroden.

For å oppdage stråling, som ikke er annet enn katodestråler, er veggen i røret bak anoden dekket med et lysstoffrør. Når strålingen når dit, avgir veggen i røret en intens lysstyrke.

Hvis en solid gjenstand kommer i veien for katodestrålene, kaster den en skygge på veggen på røret. Dette indikerer at strålene beveger seg i en rett linje, og også at de lett kan blokkeres.

Naturen til katodestråler ble mye diskutert, siden deres natur var ukjent. Noen mente at det var bølger av elektromagnetisk type, mens andre hevdet at de var partikler.

Subatomiske partikler fra Thomsons atommodell

Thomsons atommodell er som sagt den første som postulerer eksistensen av subatomære partikler. Thomsons lik er ikke annet enn elektroner, atomens grunnleggende negativt ladede partikler.

Vi vet nå at de to andre grunnleggende partiklene er det positivt ladede protonet og det uladede nøytronet.

Men disse ble ikke oppdaget på det tidspunktet Thomson utviklet sin modell. Den positive ladningen i atomet ble fordelt i det, den anså ikke noen partikkel for å bære denne ladningen, og for øyeblikket var det ingen bevis for at det eksisterte.

Av denne grunn hadde modellen hans en flyktig eksistens, siden Rutherfords spredningseksperimenter i løpet av noen år banet vei for oppdagelsen av protonet. Og hva nøytronet angår, foreslo Rutherford selv dets eksistens noen år før det endelig ble oppdaget.

Crookes tube

Sir William Crookes (1832-1919) tegnet røret som bærer navnet hans rundt 1870, med den hensikt å studere naturen til katodestrålene nøye. Han la til elektriske felt og magnetfelt, og observerte at strålene ble avbøyd av dem.

Katodestrålerørskjema. Kilde: Knight, R.

På denne måten fant Crookes og andre forskere, inkludert Thomson, at:

1. En elektrisk strøm ble generert inne i katodestrålerøret
2. Strålene ble avbøyd av tilstedeværelsen av magnetiske felt, på samme måte som negativt ladede partikler var.
3. Alt metall som ble brukt til å lage katoden var like god til å produsere katodestråler, og deres oppførsel var uavhengig av materiale.

Disse observasjonene drev diskusjonen om opprinnelsen til katodestrålene. De som hevdet at de var bølger, var basert på det faktum at katodestråler kunne bevege seg i en rett linje. I tillegg forklarte denne hypotesen veldig godt skyggen som en forskjøvet fast gjenstand støpte på veggen av røret, og under visse omstendigheter var det kjent at bølgene kunne forårsake fluorescens.

Men i stedet ble det ikke forstått hvordan det var mulig for magnetfelt å avlede katodestråler. Dette kan bare forklares hvis disse strålene ble betraktet som partikler, en hypotese som Thomson delte.

Ladede partikler i ensartede elektriske og magnetiske felt

En ladet partikkel med ladning q opplever en kraft Fe i midten av et enhetlig elektrisk felt E, av størrelsesorden:

Fe = qE

Når en ladet partikkel vinkelrett passerer gjennom et enhetlig elektrisk felt, slik som den som produseres mellom to plater med motsatte ladninger, opplever den en avbøyning, og følgelig en akselerasjon:

qE = ma

a = qE / m

På den annen side, hvis den ladede partikkel beveger seg med en hastighet på størrelsesorden v, i midten av et ensartet magnetfelt med styrke B, har den magnetiske kraften Fm den opplever følgende intensitet:

Fm = qvB

Så lenge hastighets- og magnetfeltvektorene er vinkelrett. Når en ladet partikkel er vinkelrett på et homogent magnetfelt, gjennomgår den også en avbøyning og bevegelsen er jevn sirkulær.

Den centripetale akselerasjonen a _c i dette tilfellet er:

qvB = ma _c

I sin tur er sentripetallakselerasjonen relatert til hastigheten til partikkelen v og radius R for sirkulærbanen:

a _c = v ² / R

Og dermed:

qvB = mv ² / R

Radiusen til den sirkulære banen kunne beregnes som følger:

R = mv / qB

Senere vil disse ligningene bli brukt til å gjenskape måten Thomson avledet ladningsmasse-forholdet til elektronet.

Thomsons eksperiment

Thomson passerte en stråle av katodestråler, en stråle av elektroner, selv om han ikke visste det ennå, gjennom ensartede elektriske felt. Disse feltene er opprettet mellom to ladede ledende plater atskilt med en liten avstand.

Han førte også katodestråler gjennom et ensartet magnetfelt, og observerte effekten dette hadde på strålen. I det ene feltet så vel som det andre var det en avbøyning i strålene, noe som fikk Thomson til å tro riktig, at strålen var sammensatt av ladede partikler.

For å bekrefte dette gjennomførte Thomson flere strategier med katodestråler:

1. Han varierte de elektriske og magnetiske feltene til kreftene avlyste. På denne måten passerte katodestrålene uten å oppleve avbøyning. Ved å likestille de elektriske og magnetiske kreftene, var Thomson i stand til å bestemme hastigheten på partiklene i strålen.
2. Det annullerte intensiteten til det elektriske feltet, på denne måten fulgte partiklene en sirkulær bane midt i magnetfeltet.
3. Han kombinerte resultatene fra trinn 1 og 2 for å bestemme lademasse-forholdet til "likene."

Ladningsmasse-forholdet til elektronet

Thomson bestemte at ladningsmasseforholdet til partiklene som utgjorde katodestrålstrålen har følgende verdi:

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

Hvor q representerer ladningen til "corpuscle", som faktisk er elektronet, og m er dens masse. Thomson fulgte prosedyren beskrevet i forrige seksjon, som vi gjenskaper her trinn for trinn, med likningene han brukte.

Når katodestråler passerer gjennom kryssede elektriske og magnetiske felt, passerer de uten avbøyning. Når det elektriske feltet er kansellert, treffer de den øvre delen av røret (magnetfeltet er indikert med de blå prikkene mellom elektrodene). Kilde: Knight, R.

Trinn 1

Utjevne den elektriske kraften og den magnetiske kraften, og før strålen gjennom de vinkelrett elektriske og magnetiske feltene:

qvB = qE

Steg 2

Bestem hastigheten som er oppnådd av partiklene i strålen når de passerer direkte uten avbøyning:

v = E / B

Trinn 3

Avbryt det elektriske feltet og etterlater bare magnetfeltet (nå er det avbøyning):

R = mv / qB

Med v = E / B resulterer det:

R = mE / qB ²

Radiusen til bane kan måles, derfor:

q / m = v / RB

O vel:

q / m = E / RB ²

Neste skritt

Det neste Thomson gjorde var å måle q / m-forholdet ved hjelp av katoder laget av forskjellige materialer. Som tidligere nevnt avgir alle metaller katodestråler med identiske egenskaper.

Deretter sammenlignet Thomson sine verdier med verdiene i forholdet q / m av hydrogenion, oppnådd ved elektrolyse og hvis verdi er omtrent 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Ladningsmasseforholdet til elektronet er omtrent 1750 ganger det for hydrogenionet.

Derfor hadde katodestrålene mye større ladning, eller kanskje en masse som er mye mindre enn hydrogenionet. Hydrogenionen er ganske enkelt et proton, hvis eksistens ble kjent lenge etter Rutherfords spredningseksperimenter.

I dag er det kjent at protonet er nesten 1800 ganger mer massivt enn elektronet og med en ladning med lik størrelse og motsatt tegn som det for elektronet.

En annen viktig detalj er at med Thomsons eksperimenter ble den elektriske ladningen til elektronet ikke bestemt direkte, og heller ikke verdien av massen separat. Disse verdiene ble bestemt av Millikan-eksperimentene, som begynte i 1906.

Thomson og Dalton modellforskjeller

Den grunnleggende forskjellen på disse to modellene er at Dalton mente at atomet er en sfære. I motsetning til Thomson, foreslo han ikke eksistensen av positive eller negative anklager. For Dalton så et atom slik ut:

Dalton atom

Som vi har sett før, trodde Thomson at atomet var delbart, og hvis struktur er dannet av en positiv sfære og elektroner rundt det.

Modellfeil og begrensninger

På det tidspunktet klarte Thomsons atommodell å forklare veldig godt den kjemiske oppførselen til stoffer. Han forklarte også nøyaktig fenomenene som skjedde i katodestrålerøret.

Men faktisk kalte Thomson ikke engang partiklene sine "elektroner", selv om begrepet allerede hadde blitt myntet tidligere av George Johnstone Stoney. Thomson kalte dem ganske enkelt "lik."

Selv om Thomson benyttet seg av all kunnskapen som var tilgjengelig for ham den gangen, er det flere viktige begrensninger i modellen hans, som ble tydelig veldig tidlig på:

- Den positive ladningen er ikke fordelt over atomet . Rutherford-spredningseksperimentene viste at den positive ladningen til atomet nødvendigvis er begrenset til et lite område av atomet, som senere ble kjent som atomkjernen.

- Elektroner har en spesifikk distribusjon innenfor hvert atom . Elektronene er ikke jevnt fordelt, som rosinene i den berømte puddingen, men har i stedet en ordning i orbitaler som senere modeller avslørte.

Det er nettopp arrangementet av elektronene i atomet som gjør at elementene kan organiseres etter deres egenskaper og egenskaper i den periodiske tabellen. Dette var en viktig begrensning av Thomson-modellen, som ikke kunne forklare hvordan det var mulig å bestille elementer på denne måten.

- Atomkjernen er den som inneholder mesteparten av massen. Thomsons modell antydet at massen til atomet var jevn fordelt i det. Men i dag vet vi at massen til atomet praktisk talt er konsentrert i protonene og nøytronene i kjernen.

Det er også viktig å merke seg at denne modellen av atomet ikke tillot å utlede typen bevegelse som elektronene hadde i atomet.

Artikler av interesse

Schrödingers atommodell.

De Broglie atommodell.

Chadwicks atommodell.

Heisenberg atommodell.

Perrins atommodell.

Daltons atommodell.

Dirac Jordan atommodell.

Atommodell av Democritus.

Bohrs atommodell.

Sommerfeld atommodell.

referanser

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurs. Fysikk 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysikk. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsons atommodell. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.