THOMSONIN ATOMIMALLI: OMINAISUUDET, POSTULAATIT, SUBATOMISET HIUKKASET - FYYSINEN - 2026

Atomi malli Thomson luotiin juhli Englanti fyysikko JJ Thomson, joka löysi elektroni. Tästä löytöstä ja työstään kaasun sähkönjohtavuudessa hänelle myönnettiin vuoden 1906 fysiikan Nobel-palkinto.

Katodisäteiden kanssa tekemästään työstä tuli selväksi, että atomi ei ollut jakama kokonaisuus, kuten Dalton oli olettanut edellisessä mallissa, mutta sisälsi selkeästi määritellyn sisäisen rakenteen.

Thomson teki mallin atomista katodisäteitä koskevien kokeidensa tulosten perusteella. Siinä hän totesi, että sähköisesti neutraali atomi koostui samansuuruisista positiivisista ja negatiivisista varauksista.

Mihin nimitettiin Thomsonin atomimalli ja miksi?

Thomsonin mukaan positiivinen varaus jakautui koko atomiin ja negatiiviset varaukset upotettiin siihen ikään kuin ne olisivat rusinoita vanukassa. Tästä vertailusta tuli termi "rusinan vanukas", koska malli oli epävirallisesti tunnettu.

Joseph John Thomson

Vaikka Thomsonin idea näyttää nykyään melko alkeelliselta, tuolloin se merkitsi uutta panosta. Mallin lyhyen käyttöiän aikana (vuosina 1904–1910) se sai monien tutkijoiden tuen, vaikka monet muutkin pitivät sitä harhaoppia.

Lopulta vuonna 1910 syntyi uusia todisteita atomien rakenteesta, ja Thomsonin malli putosi nopeasti sivulle. Tämä tapahtui heti, kun Rutherford julkaisi sirontakokeilunsa tulokset, jotka paljastivat atomin ytimen olemassaolon.

Thomsonin malli kuitenkin postuloi ensimmäisenä subatomisten hiukkasten olemassaolon, ja sen tulokset olivat hienon ja tiukan kokeilun hedelmä. Tällä tavoin hän loi ennakkotapauksen kaikille seuranneille löytöille.

Thomson-mallin ominaisuudet ja postulaatit

Thomson saapui atomimalliinsa useiden havaintojen perusteella. Ensimmäinen oli, että Roentgenin äskettäin löytämät röntgenkuvat pystyivät ionisoimaan ilmamolekyylejä. Siihen asti ainoa tapa ionisoida oli erottamalla kemiallisesti kemiallisesti liuoksessa.

Mutta englantilainen fyysikko onnistui onnistuneesti ionisoimaan jopa monatomisia kaasuja, kuten heliumia, röntgensäteillä. Tämä sai hänet uskomaan, että atomin sisällä oleva varaus voitaisiin erottaa, ja siksi se ei ollut jakama. Hän havaitsi myös, että katodisäteet ne voivat taipua sähkö- ja magneettikenttiä.

JJ Thomson, elektronin löytäjä. Lähde: Lifeder.

Joten Thomson kehitti mallin, joka selitti oikein sen tosiasian, että atomi on sähköisesti neutraali ja että katodisäteet koostuvat negatiivisesti varautuneista hiukkasista.

Thomson karakterisoi atomia seuraavasti:

-Atomi on sähköisesti neutraali kiinteä pallo, suunnilleen säde 10 - ¹⁰ m.

-Positiivinen varaus on jakautunut enemmän tai vähemmän tasaisesti koko pallon alueella.

-Atomi sisältää negatiivisesti varautuneita "runkoja", jotka varmistavat sen neutraalisuuden.

-Nämä runko on sama kaikissa asioissa.

- Kun atomi on tasapainossa, positiivisen varauksen alueella on n rengasta, jotka on järjestetty säännöllisesti renkaisiin.

-Tomin massa on jakautunut tasaisesti.

Katodisäteet

Elektronien säde ohjataan katodista anodiin.

Thomson suoritti kokeilunsa katodisäteillä, jotka löydettiin vuonna 1859. Katodisäteet ovat negatiivisesti varautuneiden hiukkasten kimppuja. Niiden valmistamiseksi käytetään tyhjiölasiputkia, joihin asetetaan kaksi elektrodia, nimeltään katodi ja anodi.

Tämän jälkeen katodia lämmittävä sähkövirta lämmitetään, mikä emittoi tällä tavalla näkymätöntä säteilyä, joka ohjataan suoraan vastakkaiselle elektrodille.

Säteilyn havaitsemiseksi, joka ei ole muuta kuin katodisäteitä, putken seinämä anodin takana on peitetty fluoresoivalla materiaalilla. Kun säteily pääsee sinne, putken seinämä antaa voimakkaan valoisuuden.

Jos kiinteä esine joutuu katodisäteiden tielle, se heittää varjon putken seinämään. Tämä osoittaa, että säteet kulkevat suorassa linjassa ja että ne voidaan helposti tukkia.

Katodisäteiden luonteesta keskusteltiin laajasti, koska niiden luonnetta ei ollut tiedossa. Jotkut uskoivat niiden olevan sähkömagneettisia tyyppisiä aaltoja, kun taas toiset väittivät, että ne olivat hiukkasia.

Subomaattiset hiukkaset Thomsonin atomimallista

Thomsonin atomimalli on, kuten sanoimme, ensimmäinen, joka postuloi subatomisten hiukkasten olemassaolon. Thomsonin runko on vain elektroneja, atomin negatiivisesti varautuneita hiukkasia.

Tiedämme nyt, että kaksi muuta perushiukkasta ovat positiivisesti varautunut protoni ja varautumaton neutroni.

Mutta näitä ei löydetty, kun Thomson kehitti mallinsa. Atomin positiivinen varaus jakautui siihen, se ei katsonut minkään hiukkasen kantavan tätä varausta ja tällä hetkellä ei ollut todisteita sen olemassaolosta.

Tästä syystä hänen mallinsa oli ohimenevä, koska muutaman vuoden aikana Rutherfordin sirontakokeet loivat tietä protonin löytämiselle. Ja mitä neutroniin tulee, Rutherford itse ehdotti sen olemassaoloa muutama vuosi ennen kuin se lopulta löydettiin.

Crookes-putki

Sir William Crookes (1832-1919) suunnitteli putken, joka kantoi hänen nimeään noin 1870, tarkoituksenaan tutkia huolellisesti katodisäteiden luonnetta. Hän lisäsi sähkökenttiä ja magneettikenttiä ja havaitsi, että ne taipasivat säteet.

Katodisädeputkijärjestelmä. Lähde: Knight, R.

Tällä tavoin Crookes ja muut tutkijat, mukaan lukien Thomson, havaitsivat, että:

1. Sähkövirta muodostettiin katodisädeputken sisälle
2. Säteet taipuivat läsnä ollessa magneettikenttiä, samalla tavalla kuin negatiivisesti varautuneet hiukkaset.
3. Mikä tahansa katodin valmistukseen käytetty metalli tuotti yhtä hyvin katodisäteitä ja niiden käyttäytyminen oli riippumaton materiaalista.

Nämä havainnot ruokkivat keskustelua katodisäteiden alkuperästä. Ne, jotka väittivät olevansa aaltoja, perustuivat siihen, että katodisäteet voisivat kulkea suorassa linjassa. Lisäksi tämä hypoteesi selitti erittäin hyvin varjon, jonka välinen kiinteä esine heitti putken seinämään, ja tietyissä olosuhteissa tiedettiin, että aallot voivat aiheuttaa fluoresenssin.

Mutta sen sijaan ei ymmärretty, kuinka magneettikentät pystyivät poikittelemaan katodisäteitä. Tämä voitaisiin selittää vain, jos näitä säteitä pidettäisiin hiukkasina, hypoteesin kanssa, jonka Thomson jakoi.

Varatut hiukkaset tasaisissa sähkö- ja magneettikentissä

Ladattu hiukkanen, jolla on varaus q, kokee voimakkuuden Fe yhdenmukaisen sähkökentän E keskellä:

Fe = qE

Kun ladattu hiukkanen kulkee kohtisuoraan tasaisen sähkökentän, kuten kahden vastakkaisilla varauksilla varustetun levyn väliin muodostetun, läpi, se kohoaa ja siten kiihtyy:

qE = ma

a = qE / m

Toisaalta, jos ladattu hiukkanen liikkuu nopeudella v, voimakkuuden B yhdenmukaisen magneettikentän keskellä, sen kokemalla magneettisella voimalla Fm on seuraava intensiteetti:

Fm = qvB

Niin kauan kuin nopeus- ja magneettikenttävektorit ovat kohtisuorassa. Kun ladattu hiukkanen on kohtisuorassa homogeeniseen magneettikentään, se myös taipuu ja sen liike on tasainen ympyränmuotoinen.

Centripetaalinen kiihtyvyys a _c tässä tapauksessa on:

qvB = ma _c

Keskitävä kiihtyvyys puolestaan ​​liittyy hiukkasen nopeuteen v ja pyöreän suunnan R:

a _c = v ² / R

Täten:

qvB = mv ² / R

Ympyräpolun säde voitaisiin laskea seuraavasti:

R = mv / qB

Myöhemmin näitä yhtälöitä käytetään uudelleen luomaan tapa, jolla Thomson johdetti elektronin varaus-massa-suhteen.

Thomsonin kokeilu

Thomson läpäisi katodisäteen, elektronisuihkun, vaikka hän ei vielä tiennyt sitä, yhtenäisten sähkökenttien kautta. Nämä kentät luodaan kahden ladatun johtavan levyn väliin, jotka on erotettu pienellä etäisyydellä.

Hän välitti myös katodisäteet yhtenäisen magneettikentän läpi tarkkailemalla sen vaikutusta säteen. Sekä yhdessä että toisessa kentässä säteissä oli taipuma, joka sai Thomsonin ajattelemaan oikein, että säde koostui varautuneista hiukkasista.

Tämän todentamiseksi Thomson toteutti useita strategioita katodisäteillä:

1. Hän vaihteli sähkö- ja magneettikenttiä, kunnes voimat purkautuivat pois. Tällä tavalla katodisäteet kulkivat läpi taipumatta. Tasaamalla sähköiset ja magneettiset voimat, Thomson kykeni määrittämään hiukkasten nopeuden palkissa.
2. Se mitätöi sähkökentän voimakkuuden, tällä tavalla hiukkaset seurasivat pyöreää polkua magneettikentän keskellä.
3. Hän yhdisti vaiheiden 1 ja 2 tulokset "solujen" varaus-massa-suhteen määrittämiseksi.

Elektronin varaus- ja massasuhde

Thomson määritti, että katodisäteen säteen muodostavien hiukkasten varaus- ja massasuhteella on seuraava arvo:

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

Missä q edustaa "runkorakenteen" varausta, joka on itse asiassa elektroni, ja m on sen massa. Thomson noudatti edellisessä osassa kuvailtua menettelyä, jonka luomme uudelleen askel askeleelta hänen käyttämiensä yhtälöiden kanssa.

Kun katodisäteet kulkevat ylitetyn sähkö- ja magneettikentän läpi, ne kulkevat ilman taipumaa. Kun sähkökenttä peruutetaan, ne osuvat putken yläosaan (magneettikenttä on merkitty elektrodien välisillä sinisillä pisteillä). Lähde: Knight, R.

Vaihe 1

Tasaa sähkövoima ja magneettinen voima kuljettamalla palkki kohtisuoran sähkö- ja magneettikentän läpi:

qvB = qE

Vaihe 2

Määritä palkkihiukkasten saavuttama nopeus, kun ne kulkevat suoraan ilman taipumaa:

v = E / B

Vaihe 3

Peruuta sähkökenttä, jättäen vain magneettikenttä (nyt tapahtuu taipuma):

R = mv / qB

Kun v = E / B, tuloksena on:

R = mE / qB ²

Kiertoradan säde voidaan mitata, siksi:

q / m = v / RB

Oi:

q / m = E / RB ²

Seuraavat vaiheet

Seuraavaksi Thomson teki mittauksen q / m-suhteen käyttämällä eri materiaaleista valmistettuja katodeja. Kuten aiemmin mainittiin, kaikki metallit lähettävät katodisäteitä, joilla on identtiset ominaisuudet.

Sitten Thomson vertasi niiden arvoja elektrolyysillä saadun vetyionin suhteen q / m arvoihin, joiden arvo on noin 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Elektronin varaus- ja massasuhde on noin 1750-kertainen vetyionin vastaavaan.

Siksi katodisäteillä oli paljon suurempi varaus tai kenties massa paljon pienempi kuin vetyionilla. Vetyioni on yksinkertaisesti protoni, jonka olemassaolosta tiedettiin kauan Rutherfordin sirontakokeiden jälkeen.

Nykyään tiedetään, että protoni on melkein 1800 kertaa massiivisempi kuin elektron ja jonka varaus on saman suuruinen ja vastakkaisella merkillä kuin elektroni.

Toinen tärkeä yksityiskohta on, että Thomsonin kokeilla elektronin sähkövarausta ei määritetty suoraan eikä sen massan arvoa erikseen. Nämä arvot määritettiin Millikan-kokeilla, jotka alkoivat vuonna 1906.

Thomsonin ja Daltonin mallierot

Näiden kahden mallin perustava ero on siinä, että Dalton ajatteli atomin olevan pallo. Toisin kuin Thomson, hän ei ehdottanut positiivisten tai kielteisten syytösten olemassaoloa. Daltonille atomi näytti tältä:

Dalton-atomi

Kuten olemme aiemmin nähneet, Thomson ajatteli, että atomi oli jaettavissa ja jonka rakenteen muodostavat positiivinen pallo ja sen ympärillä olevat elektronit.

Mallivirheet ja rajoitukset

Tuolloin Thomsonin atomimalli onnistui selittämään erittäin hyvin aineiden kemiallisen käyttäytymisen. Hän selitti myös tarkkaan katodisädeputken ilmiöitä.

Mutta itse asiassa Thomson ei edes kutsunut hiukkasiaan "elektrooneiksi", vaikka termi oli jo aikaisemmin keksitty George Johnstone Stoney. Thomson kutsui heitä yksinkertaisesti "elimiksi".

Vaikka Thomson käytti kaikkea tuolloin käytettävissä olevaa tietoa, hänen mallissaan on useita tärkeitä rajoituksia, jotka ilmestyivät hyvin varhaisessa vaiheessa:

- Positiivinen varaus ei ole jakautunut koko atomiin. Rutherfordin sirontakokeet osoittivat, että atomin positiivinen varaus rajoittuu väistämättä atomin pieneen alueeseen, joka myöhemmin tunnetaan atomin ytimenä.

- Elektroneilla on erityinen jakauma jokaisessa atomissa. Elektronit eivät ole jakautuneet tasaisesti, kuten kuuluisan vanukan rusinat, vaan niiden sijaan järjestetään kiertoradalla, mitä myöhemmät mallit paljastivat.

Juuri elektronien sijoittelu atomissa mahdollistaa elementtien järjestämisen niiden ominaisuuksien ja ominaisuuksien perusteella jaksotaulukossa. Tämä oli tärkeä rajoitus Thomson-mallille, joka ei voinut selittää kuinka elementtejä oli mahdollista tilata tällä tavalla.

- Atomituuma on se, joka sisältää suurimman osan massasta. Thomsonin malli postuloi, että atomin massa jakautui tasaisesti siihen. Mutta tänään tiedämme, että atomin massa on käytännöllisesti keskittynyt ytimen protoneihin ja neutroniin.

On myös tärkeätä huomata, että tämä atomimalli ei sallinut päätellä liiketyyppiä, joka elektroneilla oli atomissa.

Kiinnostavat artikkelit

Schrödingerin atomimalli.

De Broglie-atomimalli.

Chadwickin atomimalli.

Heisenbergin atomimalli.

Perrinin atomimalli.

Daltonin atomimalli.

Dirac Jordan-atomimalli.

Democrituksen atomimalli.

Bohrin atomimalli.

Sommerfeldin atomimalli.

Viitteet

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurssi. Fysiikka 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsonin atomimalli. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.