Модел на атом на Томсън: описание и опровержение
Моделът на атома на Томсън - един от най-ранните модели структурата на атома признат в несъстоятелност. Първо, предложено от DD. Томсън през 1904 г., малко след откриването на електрони, но преди откриването на атомното ядро.
праистория
През 1897 г. във физиката настъпи значително събитие: Томпсън Джоузеф Джон откри електроните, като по този начин експериментално потвърждава предположението, че атомът не е "монолитна" частица. Обаче, няма точна представа за елементарните частици. Само през 1911 г. ще бъде представен по-точен модел на атома на Ръдърфорд, а преди това научният свят трескаво се бори с "мистерията на века".
Отговор за търсене
След серия от експерименти се оказа, че електроните са отрицателно заредени и междувременно вече е известно, че атомите имат неутрален заряд. Томсън основателно предположи, че атомът трябва да има определен източник на положителен заряд, за да компенсира отрицателния зареждане на електрони.
Английският физик представи три възможни механизма на взаимодействие в рамките на частиците.
- В първия модел на атома на Томсън всеки отрицателно зареждан електрон се придържаше към положително заредената частица, която я следваше навсякъде в атома.
- Във втория модел електроните се въртят около централния участък на положителния заряд, който има същата величина като всички електрони.
- В третия модел електроните заемат област от пространството, която сама по себе си е равномерна положителна заряд (често наричана "супа" или "облак" на положителен заряд).
Ученият избра третия вариант - най-вероятната структура на атомите.
Обществено внимание
Моделът на атома Томсън през 1904 г. е публикуван в мартския брой на Philosophical Magazine, авторитетното научно списание на Великобритания. Според автора атомите на елементите се състоят от поредица от отрицателно електрифицирани корпуси (електрони), затворени в сфера на еднаква положителна електрификация. Томсън се отказа от по-ранната си хипотеза за „мъгливия атом“, в който частиците се състоят от нематериални вихри.
Публикацията предизвика истински интерес към научната общност. Въпреки това, тя не е имала солидни доказателства и следователно е била критикувана от много авторитетни физици. Въпреки това, тя отговаря на идеите и експерименталните данни, които са били известни по това време.
Описание на модела
Томсън основава атомния си модел на добре известни експериментални данни. Предложението за положителен размер на таксата отразява естеството на неговия научен подход към откритието, което се превърна в ръководство за действие за бъдещи експерименти.
Според теорията, орбитите на електроните вътре в атомния модел на Томсън са стабилизирани от факта, че когато електрона се отдалечи от центъра на положително заредената сфера (облак), той е изложен на нарастващ растеж. привличащи сили. Тази сила връща обратно електрона, защото според закона на Гаус има по-висока концентрация на положителния заряд вътре в сферата. Според модела, електроните могат свободно да се въртят в пръстените, които допълнително се стабилизират чрез взаимодействието между електроните, а спектроскопските стойности обясняват енергийните разлики между отделните пръстенови орбити.
Според идеята за това време електроните се намират в положително заредена сфера като стафиди в пай или парчета плодове в британски любим десерт - сливови пудинг. Следователно, понятието се нарича още "пудинг" модел на атома.
Дилема на несъответствие
С натрупването на експериментални данни все по-ясно се наблюдава несъответствие на тази теория. Thomson неуспешно се опита да преработи своя модел, за да обясни някои от основните спектрални линии, експериментално идентифицирани за няколко елемента.
През 1909 г. Ханс Гайгер и Ърнест Марсден под ръководството на професор Ърнест Ръдърфорд провежда експерименти с тънък лист злато, разсейвайки алфа частици върху златно фолио. Данните са различни от очакваните. През 1911 г. Ръдърфорд, след много обсъждане, публикува своя собствена концепция, наричана по-късно атомния модел на Ръдърфорд. Той прие наличието на много малко ядро с най-силен положителен заряд в центъра на златните атоми, достатъчно, за да задържи около сто електрони.
По-нататъшно развитие
Веднага след като Ръдърфорд публикува резултатите си, Антониус Ван ден Брук интуитивно предполага, че атомният номер на даден елемент е общият брой на зареждащите единици в ядрото му. Хенри Мозли през 1913 г. предостави необходимите данни, за да докаже предложението на Ван ден Брук. Установено е, че ефективният ядрен заряд отговаря на атомния номер.
Тази работа послужи за основа на Нилс Бор да създаде полукласически модел на атомите през 1913 година. Тя прилича на взаимодействието на осветителни тела и планети в Слънчевата система, но само с квантови ограничения.
Ценност за науката
Моделът на атомния атом на Томсън беше стимул за бързото развитие на ядрената физика. Концепцията за „пудинг сливи“ с един електрон е използвана от физик Артър Ерих Хаас през 1910 г. за оценка на числената стойност на константата на Планк и радиуса на Бора на водородните атоми. Творбата на Хаас е публикувана три години преди заключенията на Нилс Бор. Трябва да се отбележи, че моделът на Бор осигурява доста точни прогнози за атомни и йонни системи, които имат един ефективен електрон.
В допълнение, теорията на "пудинг" ви позволява да се определи оптималното разпределение на равни точки такси върху единичната сфера, наречен проблем на Томсън. Между другото, физическата система, въплътена в проблема на Томсън, е специален случай на една от осемнадесетте нерешени математически задачи, предложени от математика Стив Смайл - “Разпределение на точки върху двуизмерна сфера”.
Проблемът на Томсън е естествено следствие от модела на "пудинга на лъча" при липса на еднороден положителен фонов заряд. Електростатичното взаимодействие на електрони, ограничено от сферични квантови точки, също е аналогично на тяхната обработка в атомния модел на Томсън. В този класически проблем квантовата точка се моделира като проста диелектрична сфера (вместо хомогенна, положително заредена сфера, както в модела на „пудинга с лъчи“), в която има свободни или излишни електрони.