АТОМНАЯ МОДЕЛЬ ТОМСОНА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОСТУЛАТЫ, СУБАТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Модель атома Томсона был создан знаменитый английский физик Томсон, открывший электрон. За это открытие и его работу по электропроводности в газах он был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года.

Из его работы с катодными лучами стало ясно, что атом не является неделимым целым, как постулировал Дальтон в предыдущей модели, но содержит четко определенную внутреннюю структуру.

Томсон создал модель атома на основе результатов своих экспериментов с катодными лучами. В нем он заявил, что электрически нейтральный атом состоит из положительных и отрицательных зарядов равной величины.

Как называлась атомная модель Томсона и почему?

Согласно Томсону, положительный заряд был распределен по всему атому, а отрицательные заряды были встроены в него, как если бы они были изюмом в пудинге. Из этого сравнения возник термин «пудинг с изюмом», так как модель была неофициально известна.

Джозеф Джон Томсон

Хотя идея Томсона сегодня выглядит довольно примитивно, в то время она представляла собой новый вклад. За недолгое время существования модели (с 1904 по 1910 год) ее поддержали многие ученые, хотя многие считали ее ересью.

Наконец, в 1910 году появились новые данные об атомной структуре, и модель Томсона быстро потеряла свою актуальность. Это произошло, как только Резерфорд опубликовал результаты своих экспериментов по рассеянию, которые показали существование атомного ядра.

Однако модель Томсона была первой, кто постулировал существование субатомных частиц, и ее результаты стали плодом тонких и строгих экспериментов. Таким образом, он создал прецедент для всех последующих открытий.

Характеристики и постулаты модели Томсона

Томсон пришел к своей атомной модели на основе нескольких наблюдений. Во-первых, рентгеновские лучи, недавно открытые Рентгеном, способны ионизировать молекулы воздуха. До этого единственным способом ионизации было химическое разделение ионов в растворе.

Но английскому физику удалось успешно ионизировать даже одноатомные газы, такие как гелий, с помощью рентгеновских лучей. Это заставило его поверить, что заряд внутри атома может быть разделен и, следовательно, он не является неделимым. Он также заметил, что катодные лучи они могли отклоняться электрическими и магнитными полями.

Дж. Дж. Томсон, первооткрыватель электрона. Источник: Lifeder.

Поэтому Томсон разработал модель, которая правильно объяснила тот факт, что атом электрически нейтрален и что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц.

Используя экспериментальные данные, Томсон охарактеризовал атом следующим образом:

-Атом представляет собой электрически нейтральную твердую сферу с приблизительным радиусом ^10-10 м.

-Положительный заряд распределен более-менее равномерно по всей сфере.

-Атом содержит отрицательно заряженные «корпускулы», которые обеспечивают его нейтральность.

-Эти тельца во всем одинаковы.

-Когда атом находится в равновесии, есть n корпускул, регулярно расположенных в кольца в сфере положительного заряда.

-Масса атома распределена равномерно.

Катодные лучи

Пучок электронов направляется от катода к аноду.

Томсон проводил свои эксперименты с использованием катодных лучей, открытых в 1859 году. Катодные лучи представляют собой пучки отрицательно заряженных частиц. Для их изготовления используются вакуумные стеклянные трубки, в которых размещены два электрода, называемые катодом и анодом.

Затем пропускается электрический ток, который нагревает катод, который, таким образом, испускает невидимое излучение, направленное непосредственно на противоположный электрод.

Для обнаружения излучения, которое представляет собой не что иное, как катодные лучи, стенка трубки за анодом покрывается флуоресцентным материалом. Когда излучение достигает этого места, стенка трубки излучает интенсивное свечение.

Если твердый объект мешает катодным лучам, он отбрасывает тень на стенку трубки. Это указывает на то, что лучи движутся по прямой линии и что их легко заблокировать.

Природа катодных лучей широко обсуждалась, поскольку их природа была неизвестна. Одни думали, что это волны электромагнитного типа, другие утверждали, что это частицы.

Субатомные частицы из атомной модели Томсона

Атомная модель Томсона, как мы уже сказали, первая постулирует существование субатомных частиц. Тельца Томсона - это не что иное, как электроны, фундаментальные отрицательно заряженные частицы атома.

Теперь мы знаем, что две другие фундаментальные частицы - это положительно заряженный протон и незаряженный нейтрон.

Но они не были обнаружены в то время, когда Томсон разработал свою модель. Положительный заряд в атоме был распределен в нем, он не считал, что какая-либо частица несет этот заряд, и на данный момент не было доказательств его существования.

По этой причине его модель существовала недолго, так как в течение нескольких лет эксперименты Резерфорда по рассеянию проложили путь к открытию протона. Что касается нейтрона, то сам Резерфорд предположил его существование за несколько лет до того, как он был окончательно открыт.

Трубка Крукса

Сэр Уильям Крукс (1832-1919) разработал трубку, носящую его имя, около 1870 года с намерением тщательно изучить природу катодных лучей. Он добавил электрические и магнитные поля и заметил, что лучи отклоняются ими.

Схема электронно-лучевой трубки. Источник: Knight, R.

Таким образом, Крукс и другие исследователи, включая Томсона, обнаружили, что:

1. Электрический ток генерировался внутри электронно-лучевой трубки.
2. Лучи отклонялись магнитным полем так же, как и отрицательно заряженные частицы.
3. Любой металл, использованный для изготовления катода, одинаково хорошо генерировал катодные лучи, и их поведение не зависело от материала.

Эти наблюдения вызвали дискуссию о происхождении катодных лучей. Те, кто утверждал, что это были волны, основывались на том факте, что катодные лучи могут двигаться по прямой. Кроме того, эта гипотеза очень хорошо объясняла тень, отбрасываемую твердым вставленным объектом на стенке трубки, и при определенных обстоятельствах было известно, что волны могут вызывать флуоресценцию.

Но вместо этого было непонятно, как магнитные поля могли отклонять катодные лучи. Это можно было бы объяснить, только если бы эти лучи считались частицами, и эту гипотезу разделял Томсон.

Заряженные частицы в однородных электрическом и магнитном полях

Заряженная частица с зарядом q испытывает силу Fe в середине однородного электрического поля E величиной:

Fe = qE

Когда заряженная частица проходит перпендикулярно через однородное электрическое поле, такое как поле, возникающее между двумя пластинами с противоположными зарядами, она испытывает отклонение и, следовательно, ускорение:

qE = ma

а = qE / м

С другой стороны, если заряженная частица движется со скоростью, равной v, в центре однородного магнитного поля величиной B, магнитная сила Fm, которую она испытывает, будет иметь следующую интенсивность:

Fm = qvB

Пока векторы скорости и магнитного поля перпендикулярны. Когда заряженная частица перпендикулярна однородному магнитному полю, она также отклоняется, и ее движение является однородным круговым.

Центростремительное ускорение a _c в этом случае равно:

qvB = ma _c

В свою очередь центростремительное ускорение связано со скоростью частицы v и радиусом R кругового пути:

а _с = v ² / R

Таким образом:

qvB = mv ² / R

Радиус круговой траектории можно рассчитать следующим образом:

R = mv / qB

Позже эти уравнения будут использованы для воссоздания способа, которым Томсон вывел соотношение заряд-масса электрона.

Эксперимент Томсона

Томсон пропустил пучок катодных лучей, пучок электронов, хотя он еще не знал этого, через однородные электрические поля. Эти поля создаются между двумя заряженными проводящими пластинами, разделенными небольшим расстоянием.

Он также пропустил катодные лучи через однородное магнитное поле, наблюдая за тем, как это влияет на луч. Как в одном поле, так и в другом наблюдалось отклонение лучей, что привело Томсона к правильному мнению, что луч состоит из заряженных частиц.

Чтобы проверить это, Томсон применил несколько стратегий с катодными лучами:

1. Он менял электрическое и магнитное поля до тех пор, пока силы не уравновесились. Таким образом, катодные лучи проходят без отклонения. Приравняв электрические и магнитные силы, Томсон смог определить скорость частиц в луче.
2. Это аннулировало напряженность электрического поля, таким образом частицы двигались по круговой траектории в середине магнитного поля.
3. Он объединил результаты шагов 1 и 2, чтобы определить соотношение заряд-масса «корпускул».

Отношение заряда к массе электрона

Томсон определил, что отношение заряда к массе частиц, составляющих пучок электронно-лучевых лучей, имеет следующее значение:

q / m = 1,758820 x 10 11 мкг-1.

Где q представляет собой заряд «корпускулы», которая на самом деле является электроном, а m - ее масса. Томсон выполнил процедуру, описанную в предыдущем разделе, которую мы воссоздаем здесь шаг за шагом, с использованными им уравнениями.

Когда катодные лучи проходят через скрещенные электрическое и магнитное поля, они проходят без отклонения. Когда электрическое поле отменяется, они попадают в верхнюю часть трубки (магнитное поле обозначено синими точками между электродами). Источник: Knight, R.

Шаг 1

Уравняйте электрическую силу и магнитную силу, пропуская луч через перпендикулярные электрическое и магнитное поля:

qvB = qE

Шаг 2

Определите скорость, приобретаемую частицами в пучке, когда они проходят прямо без отклонения:

v = E / B

Шаг 3

Отмените электрическое поле, оставив только магнитное поле (теперь есть отклонение):

R = mv / qB

При v = E / B получается:

R = mE / qB ²

Радиус орбиты можно измерить, поэтому:

q / m = v / RB

Хорошо:

q / m = E / RB ²

Следующие шаги

Следующее, что сделал Томсон, - измерил соотношение q / m, используя катоды из разных материалов. Как упоминалось ранее, все металлы испускают катодные лучи с одинаковыми характеристиками.

Затем Томсон сравнил их значения со значениями отношения q / m иона водорода, полученного электролизом и значение которого составляет приблизительно 1 · 10 ⁸ C / кг. Отношение заряда к массе электрона примерно в 1750 раз больше, чем у иона водорода.

Следовательно, катодные лучи имели гораздо больший заряд или, возможно, массу, намного меньшую, чем у иона водорода. Ион водорода - это просто протон, о существовании которого стало известно много времени после экспериментов Резерфорда по рассеянию.

Сегодня известно, что протон почти в 1800 раз массивнее электрона и имеет заряд, равный величине и противоположный знаку, чем у электрона.

Еще одна важная деталь заключается в том, что в экспериментах Томсона ни электрический заряд электрона, ни значение его массы отдельно не определялись. Эти значения были определены экспериментами Милликена, начавшимися в 1906 году.

Различия моделей Томсона и Далтона

Принципиальное различие этих двух моделей состоит в том, что Дальтон считал атом сферой. В отличие от Томсона, он не предполагал существования положительных или отрицательных зарядов. Для Дальтона атом выглядел так:

Атом Дальтона

Как мы видели ранее, Томсон считал атом делимым и чья структура образована положительной сферой и электронами вокруг него.

Недостатки и ограничения модели

В то время атомная модель Томсона смогла очень хорошо объяснить химическое поведение веществ. Он также точно объяснил явления, происходящие в электронно-лучевой трубке.

Но на самом деле Томсон даже не называл свои частицы «электронами», хотя этот термин уже был введен ранее Джорджем Джонстоном Стоуни. Томсон просто назвал их «корпускулами».

Хотя Томсон использовал все знания, доступные ему в то время, в его модели есть несколько важных ограничений, которые стали очевидны очень рано:

- Положительный заряд не распределяется по атому . Эксперименты по резерфордскому рассеянию показали, что положительный заряд атома обязательно ограничен небольшой областью атома, которая позже стала известна как атомное ядро.

- Электроны имеют определенное распределение внутри каждого атома . Электроны не распределены равномерно, как изюм в знаменитом пудинге, а вместо этого имеют расположение на орбиталях, которое показали более поздние модели.

Именно расположение электронов внутри атома позволяет упорядочивать элементы по их характеристикам и свойствам в периодической таблице. Это было важным ограничением модели Томсона, которое не могло объяснить, как можно было упорядочить элементы таким образом.

- Атомное ядро ​​- это то, что содержит большую часть массы. Модель Томсона постулировала, что масса атома равномерно распределена внутри него. Но сегодня мы знаем, что масса атома практически сосредоточена в протонах и нейтронах ядра.

Также важно отметить, что эта модель атома не позволяла сделать вывод о типе движения электронов внутри атома.

Интересные статьи

Атомная модель Шредингера.

Атомная модель Де Бройля.

Атомная модель Чедвика.

Модель атома Гейзенберга.

Атомная модель Перрина.

Атомная модель Дальтона.

Атомная модель Дирака Джордана.

Атомная модель Демокрита.

Атомная модель Бора.

Атомная модель Зоммерфельда.

Ссылки

1. Андриссен, М. 2001. Курс HSC. Физика 2. Jacaranda HSC Science.
2. Арфкен, Г. 1984. Университетская физика. Академическая пресса.
3. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
4. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон.
5. Wikipedia. Атомная модель Томсона. Получено с: es.wikipedia.org.