ТХОМСОН-ОВ АТОМСКИ МОДЕЛ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ПОСТУЛАТИ, СУБАТОМСКЕ ЧЕСТИЦЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Атомска модел Тхомсон је креиран од стране прослављеног енглески физичар ЈЈ Тхомсон, који је открио електрон. За ово откриће и свој рад на електричном проводењу у гасовима добио је 1906. Нобелову награду за физику.

Из његовог рада са катодним зрацима постало је јасно да атом није недељив ентитет, као што је Далтон постулирао у претходном моделу, али садржи добро дефинисану унутрашњу структуру.

Тхомсон је направио модел атома на основу резултата својих експеримената са катодним зрацима. У њему је навео да је електрично неутрални атом састављен од позитивних и негативних наелектрисања једнаке величине.

Како се звао Тхомсон-ов атомски модел и зашто?

Према Тхомсон-у, позитивни набој је био расподељен по атому, а негативни набоји су уграђени у њега као да су грожђице у пудингу. Из ове поређења је произашао термин "пудинг од грожђица", како је модел био неформално познат.

Јосепх Јохн Тхомсон

Иако Тхомсон-ова идеја изгледа прилично примитивно данас, у време када је представљала роман допринос. Током кратког века модела (од 1904. до 1910.) имао је подршку многих научника, мада су га многи други сматрали јересом.

Коначно 1910. године појавили су се нови докази о структури атома, а Тхомсон-ов модел је брзо пао на страну. То се догодило чим је Рутхерфорд објавио резултате својих експеримената распршивања, који су открили постојање атомског језгра.

Међутим, Тхомсон-ов модел је први постулирао постојање субатомских честица и његови резултати били су плод финих и ригорозних експериментирања. На тај је начин поставио преседан за сва открића која су услиједила.

Карактеристике и постулати Тхомсон модела

Тхомсон је дошао до свог атомског модела на основу неколико запажања. Први је био да су рендгенски зраци које је недавно открио Роентген способни да ионизирају молекуле ваздуха. До тада, једини начин јонизације био је хемијским одвајањем јона у раствору.

Али енглески физичар успео је да успешно ионизира чак и мононатомске гасове, попут хелијума, коришћењем Кс-зрака, што га је навело да верује да се набој унутар атома може одвојити и да зато није недељив. Такође је приметио да катодне зраке могу се одбити електричним и магнетним пољем.

ЈЈ Тхомсон, откривач електрона. Извор: Лифедер.

Тако је Тхомсон смислио модел који је тачно објаснио чињеницу да је атом електрично неутралан и да су катодне зраке састављене од негативно набијених честица.

Користећи експерименталне доказе, Тхомсон је атом окарактерисао на следећи начин:

-Атом је електрично неутрална крута сфера, приближног полупречника 10 ^-10 м.

-Позитивни набој се мање-више равномерно распоређује по целој сфери.

-Атом садржи негативно наелектрисане "трупуље", који обезбеђују његову неутралност.

- Ови трупци су исти за сву материју.

-Када је атом у равнотежи, у сфери позитивног набоја редовно су распоређени н трупци.

-Маза атома је равномерно распоређена.

Катодне зраке

Сноп електрона је усмерен од катоде до аноде.

Тхомсон је извео своје експерименте помоћу катодних зрака, откривених 1859. Катодне зраке су снопи негативно набијених честица. Да би се произвеле, користе се вакуумске стаклене цеви у које су постављене две електроде, назване катода и анода.

Затим се преноси електрична струја која загрева катоду, која на тај начин емитује невидљиво зрачење које је усмерено директно на супротну електроду.

Да би се открило зрачење, које није ништа друго до катодна зрака, зид цеви иза аноде је прекривен флуоресцентним материјалом. Када зрачење стигне тамо, зид цеви ствара интензивну светлину.

Ако чврсти предмет упадне на катодне зраке, баца сенку на зид цеви. Ово указује да зраке путују правоцртно, а такође и да их се лако може блокирати.

Природа катодних зрака се широко расправљала, јер је њихова природа била непозната. Неки су мислили да су то таласи електромагнетског типа, док су други тврдили да су честице.

Субатомске честице из Тхомсоновог атомског модела

Тхомсон-ов атомски модел је, као што смо рекли, први који је постулирао постојање субатомских честица. Тхомсонови трупци нису ништа друго до електрони, основне негативно наелектрисане честице атома.

Сада знамо да су остале две основне честице позитивно наелектрисани протони и неисправан неутрон.

Али то нису откривене у време када је Тхомсон развио свој модел. Позитивни набој атома био је распоређен у њему, није сматрао да нити једна честица носи тај набој и тренутно није било доказа о његовом постојању.

Из тог разлога је његов модел постојао брзо, пошто су током неколико година Рутхерфордови експерименти распршивања отворили пут за откривање протона. А што се тиче неутрона, сам Рутхерфорд је предложио његово постојање неколико година пре него што је коначно откривено.

Цроокес цијев

Сир Виллиам Цроокес (1832-1919) дизајнирао је цев која носи његово име око 1870. године, са намером да пажљиво проучи природу катодних зрака. Додао је електрична и магнетна поља и приметио да се зраке одбијају од њих.

Схема катодних цеви Извор: Книгхт, Р.

На овај начин, Цроокес и други истраживачи, укључујући Тхомсон, открили су да:

1. Унутар катодне цеви се ствара електрична струја
2. Зраци су били одбијени присуством магнетних поља, на исти начин као и негативно наелектрисане честице.
3. Било који метал коришћен за прављење катоде био је подједнако добар у производњи катодних зрака, а њихово понашање је било независно од материјала.

Ова запажања су подстакла расправу о пореклу катодних зрака. Они који су тврдили да су таласи засновани су на чињеници да катодни зраци могу да путују равно. Поред тога, ова хипотеза је врло добро објаснила сенку да се умешани чврсти предмет баци на зид цеви и под одређеним околностима се знало да таласи могу изазвати флуоресценцију.

Али уместо тога није се разумело како је могуће да магнетна поља одбију катодне зраке. То се могло објаснити само ако се ови зраци сматрају честицама, хипотеза коју је Тхомсон дијелио.

Напуњене честице у једноличним електричним и магнетним пољима

Набијена честица са набојем к доживљава силу Фе усред једноличног електричног поља Е, величине:

Фе = кЕ

Када набијена честица окомито прође кроз једнолично електрично поље, попут оног које се ствара између две плоче са супротним наелектрисањем, доживљава одбојност и последично убрзање:

кЕ = ма

а = кЕ / м

С друге стране, ако се наелектрисана честица креће брзином магнитуде в, усред једноличног магнетног поља магнитуде Б, магнетна сила Фм коју доживљава има следећи интензитет:

Фм = квБ

Све док су вектори брзине и магнетног поља окомити. Када је набијена честица окомита на хомогено магнетно поље, она такође пролази кроз одгиб и њено кретање је уједначено кружно.

Центрипетално убрзање а _ц у овом случају је:

квБ = ма _ц

Заузврат, центрипетално убрзање је повезано са брзином честице в и полумјером Р кружног пута:

а _ц = в ² / Р

Тако:

квБ = мв ² / Р

Полумјер кружне стазе може се израчунати на следећи начин:

Р = мв / кБ

Касније ће се ове једначине искористити за поновно стварање начина на који је Тхомсон извео однос наелектрисања и масе електрона.

Тхомсон-ов експеримент

Тхомсон је прошао сноп катодних зрака, сноп електрона, иако то још није знао, кроз једнолична електрична поља. Ова поља настају између две набијене проводне плоче одвојене малом растојању.

Такође је прошао катодне зраке кроз једнолично магнетно поље, посматрајући ефекат који је имао на сноп. И у једном и у другом пољу дошло је до отклона у зрацима, што је навело Тхомсон-а да исправно помисли да је сноп састављен од набијених честица.

Да би то потврдио, Тхомсон је извео неколико стратегија са катодним зрацима:

1. Размењивао је електрична и магнетна поља све док снаге нису отказале. На тај начин су катодни зраци прошли без пробијања. Изједначавањем електричних и магнетних сила, Тхомсон је успео да одреди брзину честица у снопу.
2. Поништио је интензитет електричног поља, на тај начин честице су следиле кружну путању у средини магнетног поља.
3. Комбиновао је резултате корака 1 и 2 како би одредио однос наелектрисања и масе „трупала“.

Однос наелектрисања и масе електрона

Тхомсон је утврдио да омјер наелектрисања и масе честица које чине катодни сноп има сљедећу вриједност:

к / м = 1.758820 к 10 11 Ц.кг-1.

Где к представља наелектрисање "леша", који је заправо електрон, а м његова маса. Тхомсон је следио поступак описан у претходном одељку, који смо овде поново креирали, корак по корак, са једначинама које је користио.

Када катодне зраке прођу кроз укрштена електрична и магнетна поља, они пролазе без одступања. Када се електрично поље откаже, они ударају у горњи део цеви (магнетно поље је означено плавим тачкицама између електрода). Извор: Книгхт, Р.

Корак 1

Изједначите електричну и магнетну силу, пролазећи сноп кроз окомито електрично и магнетно поље:

квБ = кЕ

Корак 2

Одредите брзину коју честице добивају у снопу када пролазе директно без прогиба:

в = Е / Б

3. корак

Откажите електрично поље, остављајући само магнетно поље (сада је дошло до отклона):

Р = мв / кБ

Ако је в = Е / Б резултат:

Р = мЕ / кБ ²

Полумјер орбите се може измерити, дакле:

к / м = в / РБ

О добро:

к / м = Е / РБ ²

Следећи кораци

Следеће што је Тхомсон урадио било је мерење односа к / м користећи катоде израђене од различитих материјала. Као што је раније поменуто, сви метали емитују катодне зраке са идентичним карактеристикама.

Затим је Тхомсон упоредио њихове вредности са односима к / м водоничног јона, добијеним електролизом и чија је вредност отприлике 1 к 10 ⁸ Ц / кг. Омјер наелектрисања и масе електрона отприлике је 1750 пута већи од водоничног јона.

Стога су катодне зраке имале много већи набој, или можда масу много мању од масе водоника. Водоник јон је једноставно протон, чије постојање је постало познато дуго након Рутхерфордових експеримената распршивања.

Данас је познато да је протон готово 1800 пута масивнији од електрона и са набојем једнаке величине и супротног знака од електрона.

Други важан детаљ је да са Тхомсон-иним експериментима електрични набој електрона није директно одређен, нити вредност његове масе одвојено. Те вредности су утврђене Милликановим експериментима, започетим 1906.

Разлике у моделу Тхомсон-а и Далтона

Темељна разлика ова два модела је у томе што је Далтон мислио да је атом сфера. Супротно Тхомсону, он није предложио постојање позитивних или негативних оптужби. За Далтон је атом изгледао овако:

Далтон атом

Као што смо већ видели, Тхомсон је сматрао да је атом дељив и чију структуру формира позитивна сфера и електрони око њега.

Недостаци и ограничења модела

Тада је Тхомсон-ов атомски модел успео да врло добро објасни хемијско понашање супстанци. Такође је тачно објаснио појаве које су се догодиле у катодној цеви.

Али у ствари Тхомсон своје честице није ни назвао "електронима", мада је тај термин већ сковао Георге Јохнстоне Стонеи. Тхомсон их је једноставно назвао "лешевима".

Иако је Тхомсон искористио све знање које му је тада било на располагању, у његовом моделу постоји неколико важних ограничења која су постала очита врло рано:

- Позитивно наелектрисање се не дистрибуира по атому . Рутхерфорд-ови експерименти распршивања показали су да је позитивно наелектрисање атома нужно ограничено на малом подручју атома, које је касније постало познато као атомско језгро.

- Електрони имају специфичну расподелу унутар сваког атома . Електрони нису равномерно распоређени, попут грожђица у чувеном пудингу, већ уместо тога имају распоред у орбитама који су открили каснији модели.

Управо распоред електрона унутар атома омогућава да се елементи организују по њиховим карактеристикама и својствима у периодичној табели. Ово је било важно ограничење Тхомсон-овог модела, које није могло објаснити како је могуће наручити елементе на овај начин.

- Атомско језгро је оно које садржи већину масе. Тхомсон је модел постулирао да је маса атома равномјерно распоређена унутар њега. Али данас знамо да је маса атома практично концентрисана у протонима и неутронима језгра.

Важно је такође напоменути да овај модел атома није дозвољавао закључивање типа кретања који су имали електрони унутар атома.

Чланци од интереса

Сцхродингеров атомски модел.

Атомски модел Де Броглие.

Чадвиков атомски модел.

Хеисенбергов атомски модел.

Перинов атомски модел.

Далтонов атомски модел.

Атомски модел Дирац Јордан.

Атомски модел Демокрита.

Боров атомски модел.

Соммерфелд атомски модел.

Референце

1. Андриессен, М. 2001. ХСЦ курс. Физика 2. Јацаранда ХСЦ Наука.
2. Арфкен, Г. 1984. Универзитетска физика. Академска штампа.
3. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
4. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон.
5. Википедиа. Тхомсон-ов атомски модел. Опоравак од: ес.википедиа.орг.