THOMSONOV ATÓMOVÝ MODEL: CHARAKTERISTIKY, POSTULÁTY, SUBATOMÁRNE ČASTICE - FYZICKÝ - 2026

Atómový model Thomson bol vytvorený oslavovaným anglický fyzik JJ Thomson, ktorý objavil elektrón. Za tento objav a prácu na elektrickom vedení v plynoch dostal Nobelovu cenu za fyziku z roku 1906.

Z jeho práce s katódovými lúčmi vyšlo najavo, že atóm nebol nedeliteľnou entitou, ako Dalton predpokladal v predchádzajúcom modeli, ale obsahoval dobre definovanú vnútornú štruktúru.

Thomson vytvoril model atómu na základe výsledkov jeho experimentov s katódovými lúčmi. V ňom uviedol, že elektricky neutrálny atóm je tvorený kladnými a zápornými nábojmi rovnakej veľkosti.

Ako sa nazýval Thomsonov atómový model a prečo?

Podľa Thomsona bol kladný náboj rozdelený po celom atóme a záporné náboje boli v ňom zabudované, akoby boli hrozienkami v pudingu. Z tohto porovnania vyšiel termín „hrozienkový puding“, keďže model bol neformálne známy.

Joseph John Thomson

Hoci Thomsonova myšlienka vyzerá dnes celkom primitívne, v tom čase predstavovala nový príspevok. Počas krátkeho života modelu (od roku 1904 do roku 1910) mal podporu mnohých vedcov, hoci mnohí to považovali za herézu.

Nakoniec v roku 1910 sa objavili nové dôkazy o atómovej štruktúre a Thomsonov model rýchlo klesol na stranu. Stalo sa to hneď, ako Rutherford zverejnil výsledky svojich experimentov s rozptylom, ktoré odhalili existenciu atómového jadra.

Thomsonov model však bol prvým, ktorý predpokladal existenciu subatomárnych častíc a jeho výsledky boli výsledkom jemných a dôsledných experimentov. Týmto spôsobom vytvoril precedens pre všetky objavy, ktoré nasledovali.

Charakteristiky a postuláty Thomsonovho modelu

Thomson dospel k svojmu atómovému modelu na základe niekoľkých pozorovaní. Prvým bolo, že röntgenové lúče novo objavené spoločnosťou Roentgen boli schopné ionizovať molekuly vzduchu. Dovtedy bol jediným spôsobom ionizácie chemická separácia iónov v roztoku.

Anglickému fyzikovi sa však podarilo úspešne ionizovať aj monatomické plyny, ako napríklad hélium, pomocou röntgenových lúčov, čo ho viedlo k domnienke, že náboj vo vnútri atómu sa dá oddeliť, a preto nebol nedeliteľný. Pozoroval tiež katódové lúče mohli by byť vychyľované elektrickými a magnetickými poľami.

JJ Thomson, objaviteľ elektrónu. Zdroj: Lifeder.

Thomson teda navrhol model, ktorý správne vysvetlil skutočnosť, že atóm je elektricky neutrálny a že katódové lúče sa skladajú zo záporne nabitých častíc.

Na základe experimentálnych dôkazov Thomson charakterizoval atóm takto:

- Atóm je elektricky neutrálna tuhá guľa s približným polomerom 10 - ¹⁰ m.

- Pozitívny náboj je distribuovaný viac-menej rovnomerne v celej sfére.

- Atóm obsahuje negatívne nabité „telieska“, ktoré zabezpečujú jeho neutralitu.

- Tieto telieska sú rovnaké pre všetky veci.

- Ak je atóm v rovnováhe, v oblasti pozitívneho náboja sú pravidelne usporiadané n kruhy v kruhoch.

- Hmotnosť atómu je rovnomerne rozložená.

Lúče katód

Lúč elektrónov je nasmerovaný z katódy na anódu.

Thomson uskutočnil svoje experimenty pomocou katódových lúčov, ktoré boli objavené v roku 1859. Katódové lúče sú zväzky negatívne nabitých častíc. Na ich výrobu sa používajú vákuové sklenené trubice, v ktorých sú umiestnené dve elektródy, nazývané katóda a anóda.

Potom prechádza elektrický prúd, ktorý zahrieva katódu, ktorá týmto spôsobom emituje neviditeľné žiarenie, ktoré je nasmerované priamo na opačnú elektródu.

Na detekciu žiarenia, ktoré nie je nič iné ako katódové lúče, je stena skúmavky za anódou pokrytá fluorescenčným materiálom. Keď tam žiarenie dosiahne, stena trubice vydá intenzívnu svietivosť.

Ak sa pevný predmet prekáža katódovým lúčom, vrhá tieň na stenu trubice. To znamená, že lúče sa pohybujú po priamke a tiež sa dajú ľahko blokovať.

O povahe katódových lúčov sa veľa diskutovalo, pretože ich povaha nebola známa. Niektorí si mysleli, že to boli vlny elektromagnetického typu, zatiaľ čo iní tvrdili, že sú to častice.

Subatomické častice z Thomsonovho atómového modelu

Ako sme povedali, Thomsonov atómový model je prvý, ktorý postuluje existenciu subatomárnych častíc. Thomsonove telieska nie sú nič iné ako elektróny, základné negatívne nabité častice atómu.

Teraz vieme, že ďalšie dve základné častice sú pozitívne nabitý protón a nenabitý neutrón.

Tieto však neboli objavené v tom čase, keď Thomson vyvinul svoj model. Pozitívny náboj v atóme bol v ňom rozdelený, nepovažoval žiadnu časticu za prenos tohto náboja a momentálne neexistoval dôkaz o jeho existencii.

Z tohto dôvodu mal jeho model prchavú existenciu, pretože v priebehu niekoľkých rokov Rutherfordove experimenty s rozptylom vydláždili cestu na objavenie protónu. Pokiaľ ide o neutrón, Rutherford sám navrhol jeho existenciu niekoľko rokov predtým, ako sa konečne objavil.

Krivka trubice

Sir William Crookes (1832-1919) navrhol trubicu, ktorá nesie jeho meno okolo roku 1870, so zámerom starostlivo študovať povahu katódových lúčov. Pridal elektrické polia a magnetické polia a zistil, že lúče boli nimi odklonené.

Schéma trubice s katódovou trubicou. Zdroj: Knight, R.

Týmto spôsobom Crookes a ďalší vedci vrátane Thomsona zistili, že:

1. Vo vnútri katódovej trubice sa generoval elektrický prúd
2. Lúče boli vychyľované prítomnosťou magnetických polí, rovnako ako záporne nabité častice.
3. Akýkoľvek kov použitý na výrobu katódy bol rovnako dobrý pri výrobe katódových lúčov a ich správanie bolo nezávislé od materiálu.

Tieto pozorovania podnietili diskusiu o pôvode katódových lúčov. Tí, ktorí tvrdili, že to boli vlny, boli založené na skutočnosti, že katódové lúče sa môžu pohybovať po priamke. Ďalej táto hypotéza veľmi dobre vysvetlila tieň, ktorý vrhá pevný vložený predmet na stenu trubice a za určitých okolností bolo známe, že vlny môžu spôsobiť fluorescenciu.

Namiesto toho sa nerozumelo, ako je možné, aby magnetické pole odklonilo katódové lúče. Toto sa dá vysvetliť iba vtedy, ak sa tieto lúče považujú za častice, čo je hypotéza, o ktorú sa Thomson delil.

Nabité častice v jednotných elektrických a magnetických poliach

Nabitá častica s nábojom q zažije silu Fe v strede rovnomerného elektrického poľa E s veľkosťou:

Fe = qE

Keď nabitá častica kolmo prechádza rovnomerným elektrickým poľom, ako je napríklad pole vytvárané medzi dvoma doskami s opačným nábojom, dôjde k odklonu a následnému zrýchleniu:

qE = ma

a = qE / m

Na druhú stranu, ak sa nabitá častica pohybuje rýchlosťou v v, uprostred rovnomerného magnetického poľa veľkosti B, má magnetická sila Fm, ktorú prežíva, nasledujúcu intenzitu:

Fm = qvB

Pokiaľ sú vektory rýchlosti a magnetického poľa kolmé. Ak je nabitá častica kolmá na homogénne magnetické pole, prechádza tiež deformáciou a jej pohyb je rovnomerný kruhový.

Stredové zrýchlenie a _{c je} v tomto prípade:

qvB = ma _c

Centipetálne zrýchlenie je zase spojené s rýchlosťou častice v a polomerom R kruhovej dráhy:

_c = v ² / R

teda:

qvB = mv ² / R

Polomer kruhovej dráhy sa dá vypočítať takto:

R = mv / qB

Neskôr sa tieto rovnice použijú na obnovenie spôsobu, akým Thomson odvodil vzťah elektrón-náboj.

Thomsonov experiment

Thomson prešiel lúčom katódových lúčov, lúčom elektrónov, aj keď to ešte nevedel, cez jednotné elektrické polia. Tieto polia sa vytvárajú medzi dvoma nabitými vodivými doskami oddelenými malou vzdialenosťou.

Prešiel tiež katódovými lúčmi cez jednotné magnetické pole a pozoroval účinok, ktorý to malo na lúč. Na jednom poli, ako aj na druhom, sa v lúčoch vyskytla deformácia, ktorá viedla Thomsona k správnemu názoru, že lúč bol zložený z nabitých častíc.

Na overenie tejto skutočnosti uskutočnil Thomson niekoľko katódových lúčov:

1. Mení elektrické a magnetické pole, až kým sa sily nezrušia. Týmto spôsobom prešli katódové lúče bez toho, aby došlo k odklonu. Vyrovnaním elektrických a magnetických síl bol Thomson schopný určiť rýchlosť častíc v lúči.
2. Zrušil intenzitu elektrického poľa, čím častice nasledovali kruhovú cestu uprostred magnetického poľa.
3. Kombinoval výsledky z krokov 1 a 2, aby určil vzťah náboj-hmotnosť „teliesok“.

Pomer náboja a hmotnosti elektrónu

Thomson stanovil, že pomer náboja a hmotnosti častíc, ktoré tvoria zväzok katódových lúčov, má nasledujúcu hodnotu:

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

Kde q predstavuje náboj „telieska“, ktorý je v skutočnosti elektrónom, a m je jeho hmotnosť. Thomson postupoval podľa postupu opísaného v predchádzajúcej časti, ktorý tu postupne vytvoríme, s rovnicami, ktoré použil.

Keď katódové lúče prechádzajú skríženými elektrickými a magnetickými poľami, prechádzajú bez odklonenia. Keď sa elektrické pole zruší, zasiahnu hornú časť trubice (magnetické pole je označené modrými bodkami medzi elektródami). Zdroj: Knight, R.

Krok 1

Vyrovnajte elektrickú silu a magnetickú silu tak, že prechádzate lúčom cez kolmé elektrické a magnetické pole:

qvB = qE

Krok 2

Stanovte rýchlosť získanú časticami v lúči, keď prechádzajú priamo bez odklonenia:

v = E / B

Krok 3

Zrušte elektrické pole a ponechajte iba magnetické pole (teraz je zdeformácia):

R = mv / qB

Pri v = E / B to vedie k:

R = Me / qb ²

Polomer obežnej dráhy je preto možné merať:

q / m = v / RB

Dobre:

q / m = E / RB ²

Ďalšie kroky

Ďalšou vecou, ​​ktorú Thomson urobil, bolo zmerať pomer q / m pomocou katód vyrobených z rôznych materiálov. Ako už bolo uvedené, všetky kovy emitujú katódové lúče s rovnakými charakteristikami.

Potom Thomson porovnal svoje hodnoty s hodnotami pomeru q / m vodíkového iónu získaného elektrolýzou, ktorého hodnota je približne 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Pomer náboja a hmotnosti elektrónu je približne 1750-násobok pomeru vodíkového iónu.

Preto mali katódové lúče omnoho väčší náboj alebo možno omnoho menšiu hmotnosť ako vodíkový ión. Vodíkový ión je jednoducho protón, ktorého existencia sa stala známou už dlho po Rutherfordových pokusoch o rozptyl.

Dnes je známe, že protón je takmer 1800-krát masívnejší ako elektrón a má náboj rovnakej veľkosti a opačného znamienka ako elektrón.

Ďalším dôležitým detailom je to, že pri Thomsonových experimentoch nebol elektrický náboj elektrónu stanovený priamo, ani hodnota jeho hmotnosti osobitne. Tieto hodnoty boli stanovené experimentmi Millikan, ktoré sa začali v roku 1906.

Thomsonove a Daltonove modelové rozdiely

Základným rozdielom týchto dvoch modelov je to, že Dalton si myslel, že atóm je guľa. Na rozdiel od Thomsona nenavrhol existenciu pozitívnych alebo negatívnych poplatkov. Pre Daltona vyzeral atóm takto:

Atóm Daltonu

Ako sme už videli, Thomson si myslel, že atóm je deliteľný a ktorého štruktúru tvorí kladná guľa a elektróny okolo nej.

Chyby modelu a obmedzenia

V tom čase Thomsonov atómový model dokázal veľmi dobre vysvetliť chemické správanie látok. Presne vysvetlil aj javy, ktoré sa vyskytli v katódovej trubici.

V skutočnosti však Thomson ani nenazval svoje častice „elektrónmi“, hoci tento pojem už predtým razil George Johnstone Stoney. Thomson ich jednoducho nazval „krvinkami“.

Aj keď Thomson využil všetky vedomosti, ktoré mal v tom čase k dispozícii, v jeho modeli je niekoľko dôležitých obmedzení, ktoré sa prejavili hneď na začiatku:

- Kladný náboj nie je rozdelený po celom atóme . Experimenty s Rutherfordovým rozptylom ukázali, že kladný náboj atómu sa nevyhnutne obmedzuje na malú oblasť atómu, ktorá sa neskôr stala známou ako atómové jadro.

- Elektróny majú špecifickú distribúciu v každom atóme . Elektróny nie sú rovnomerne rozložené, ako hrozienka v slávnom pudingu, ale namiesto toho majú usporiadanie na obežných dráhach, ktoré neskôr odhalili modely.

Práve usporiadanie elektrónov v atóme umožňuje usporiadanie prvkov podľa ich charakteristík a vlastností v periodickej tabuľke. Toto bolo dôležité obmedzenie Thomsonovho modelu, ktorý nedokázal vysvetliť, ako bolo možné takto objednať prvky.

- Atómové jadro je jadro, ktoré obsahuje väčšinu hmoty. Thomsonov model predpokladal, že v ňom bola rovnomerne rozložená hmota atómu. Ale dnes vieme, že hmotnosť atómu je prakticky sústredená v protónoch a neutrónoch jadra.

Je tiež dôležité si uvedomiť, že tento model atómu neumožňuje odvodiť typ pohybu, ktorý mali elektróny v atóme.

Články záujmu

Schrödingerov atómový model.

Atómový model De Broglie.

Chadwickov atómový model.

Heisenbergov atómový model.

Perrinov atómový model.

Daltonov atómový model.

Atómový model Dirac Jordan.

Atómový model Demokrita.

Bohrov atómový model.

Sommerfeldský atómový model.

Referencie

1. Andriessen, M. 2001. HSC Course. Fyzika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsonov atómový model. Obnovené z: es.wikipedia.org.