что напоминала модель атома томсона

Модель атома Томсона: описание и опровержение

Модель атома Томсона – одна из ранних моделей строения атома, впоследствии признанная несостоятельной. Впервые предложена Д.Д. Томсоном в 1904 году вскоре после открытия электронов, но до открытия атомного ядра.

Предыстория

В 1897 году в физике произошло знаменательное событие: Томпсон Джозеф Джон открыл электроны, тем самым экспериментально подтвердив предположение, что атом не является «монолитной» частицей. Однако точного представления, что же из себя представляют элементарные частицы, не было. Лишь в 1911 году будет представлена более точная модель атома Резерфорда, а до этого научный мир лихорадочно бился над «загадкой столетия».

Поиск ответа

После серии экспериментов выяснилось, что электроны отрицательно заряжены, а между тем уже было известно, что атомы имеют нейтральный заряд. Томсон разумно предположил, что в атоме должен быть некий источник положительного заряда для компенсации отрицательного заряда электронов.

Английский физик представил три возможных механизма взаимодействия внутри частиц.

Внимание общественности

Модель атома Томсона в 1904 году была опубликована в мартовском выпуске Philosophical Magazine – авторитетном научном журнале Британии. По мнению автора, атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул (электронов), заключенных в сферу равномерной положительной электризации. Томсон отказался от более ранней своей гипотезы «туманного атома», в которой частицы состояли из нематериальных вихрей.

Публикация вызвала неподдельный интерес у научного сообщества. Однако прочных доказательств она не имела, а, следовательно, критиковалась многими авторитетными физиками. Впрочем, она соответствовала тем представлениям и экспериментальным данным, которые были известны на то время.

Описание модели

Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основывал свою атомную модель на известных экспериментальных данных. Предложение о положительном объеме заряда отражает характер его научного подхода к открытию, которое стало руководством к действию для будущих экспериментов.

Согласно теории, орбиты электронов внутри атомной модели Томсона были стабилизированы тем, что, когда электрон удалялся от центра положительно заряженной сферы (облака), он подвергался воздействию увеличивающейся силы притяжения. Эта сила возвращает электрон обратно, поскольку по закону Гаусса, внутри сферы более высокая концентрация положительного заряда. Согласно модели, электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые были дополнительно стабилизированы взаимодействием между электронами, а спектроскопические значения объясняли энергетические различия между отдельными кольцевыми орбитами.

Согласно представлению того времени, электроны располагались в положительно заряженной сфере словно изюминки в пироге, или кусочки фруктов в любимом англичанами десерте – сливовом пудинге. Поэтому концепцию еще называют «пудинговой» моделью атома.

Дилемма несоответствия

По мере накопления экспериментальных данных все отчетливее наблюдалось несоответствие данной теории. Томсон безуспешно пытался переделать свою модель, чтобы объяснить некоторые из основных спектральных линий, экспериментально выявленных для нескольких элементов.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под кураторством профессора Эрнеста Резерфорда провели эксперименты с тонким листом золота, рассеивая альфа-частицы на золотой фольге. Данные оказались отличными от ожидаемых. В 1911 году Резерфорд после долгих размышлений опубликовал собственную концепцию, названную впоследствии моделью атома Резерфорда. Он предположил наличие очень маленького ядра с сильнейшим положительным зарядом в центре атомов золота, достаточного для удержания порядка ста электронов.

Дальнейшее развитие

Данная работа послужила базисом для создания Нильсом Бором полуклассической модели атомов в 1913 году. Она напоминает взаимодействие светила и планет в Солнечной системе, но только с квантовыми ограничениями.

Значение для науки

Модель атома Томсона послужила толчком для стремительного развития ядерной физики. Концепция «сливового пудинга» с одним электроном использовалась физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и боровского радиуса атомов водорода. Работа Хааса была опубликована за три года до выводов Нильса Бора. Следует отметить, что боровская модель обеспечивает достаточно точные прогнозы для атомных и ионных систем, имеющих один эффективный электрон.

Кроме того, теория «пудинга» позволяет определить оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемой проблемой Томсона. Кстати, физическая система, воплощенная в проблеме Томсона, является частным случаем одной из восемнадцати нерешенных математических задач, предложенных математиком Стивом Смейлом – «Распределение точек на двумерной сфере».

Проблема Томсона является естественным следствием модели «пучкового пудинга» в отсутствие равномерного положительного фонового заряда. Электростатическое взаимодействие электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, также аналогично их обработке в атомной модели Томсона. В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрическая сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели «пучкового пудинга»), в которой находятся свободные или избыточные электроны.

Источник

Модель атома Томсона

«Существование атомов невозможно доказать. Их нельзя увидеть, нельзя потрогать, они существуют только в нашем воображении. Это абстракция.»
Эрнст Мах

Со времен Демокрита атом считался элементарной структурной единицей вещества. А так ли это? Оказывается, нет. И первым, кто это доказал, был английский физик Джозеф Томсон.

Преддверие открытия

Плюккер поставил довольно простой эксперимент. В герметичную стеклянную трубку с разреженным газом были помещены два электрода. Катод подключался к отрицательному полюсу батареи, анод—к положительному. При подаче высокого напряжения газ в трубке начинал светиться. Откачивая газ из трубки, Плюккер наблюдал постепенное исчезновение свечения, и лишь слегка оно оставалось в области анода. Так в 1859 году было открыто новое излучение.

Немецкий физик Ойген Гольдштейн продолжил работу Плюккера, он высказал идею о волновой природе открытого излучения и назвал его катодными лучами. Англичанин Уильям Крукс не согласился с ним и предположил, что катодные лучи являются потоками частичек вещества. Его правоту уже 1895 году подтвердил французский физик Жан Перрен, который экспериментально доказал, что этот поток движется прямолинейно, но может отклоняться магнитным полем.

Можно сказать, что подготовительные работы к раскрытию тайны атома были уже проведены. В этом же году к исследованию катодных лучей в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета приступает ее директор Джозеф Томсон. Изучая отклонение лучей в магнитном поле, он приходит к выводу, что все частицы, образующие катодные лучи, одинаковы, или, говоря языком физики, тождественны, и являются составляющими вещества. Измерив скорость их движения, которая была значительно ниже скорости света, Томсон понял, что они обладают массой и находятся в составе атомов. А значит, атом не такой уж и неделимый.

«Каша в голове — так поделись с ближним!» (Джозеф Джон Томсон)

Атом-пудинг. Как это по-английски!

После открытия электрона неделимость атома уже стала доказанным фактом, и пришла пора построить модель атома. К построению этой модели и приступил Джозеф Томсон. И лишь спустя семь лет, в 1904 году, он предложил один из ее вариантов.

Согласно его модели, атом состоит из отрицательно заряженных электронов (хотя сам Томсон называл их «корпускулами»), обладающих наименьшим квантованным зарядом — то есть не может быть заряда меньше, чем у электрона, и не может быть заряда в полтора электрона, — и положительно заряженного «шара» (или облака), компенсирующего отрицательные заряды электронов. Так что в целом атом электронейтрален.

Модель напоминала пудинг, в котором находились изюминки, впоследствии она получила название «пудинговая модель атома». Справедливости ради следует заметить, что сам ученый никогда не давал ей такое название.

В соответствии с этой моделью электроны могли свободно вращаться в капле или облаке такой положительно заряженной субстанции. Их орбиты стабилизировались тем, что при удалении электрона от центра положительно заряженного облака он испытывал увеличение силы притяжения, возвращающей его обратно, поскольку внутри его орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи. В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а наличие спектров объясняло энергетические различия между различными кольцевыми орбитами.

Модель Томсона была способна объяснить излучение атомом электромагнитных волн определенной частоты колеблющимися электронами, выведенными из положения равновесия, но она не смогла объяснить излучение большого числа спектральных линий. Также модель Томсона не давала возможности понять, что определяет размеры атомов. Но это был только первый шаг в познании структуры атома. Поскольку выяснилось, что электрон обладает наименьшим квантованным зарядом, открытие Томсона еще раз доказало существование квантовой природы физических процессов в микромире.

Электрон как частица был обнаружен в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Через 9 лет ученому присудили Нобелевскую премию с формулировкой «за исследования проводимости электричества газами». Его сын, Джордж Паджет Томсон, в 1927 году обнаружил волновые свойства электрона и впоследствии тоже удостоился Нобелевки «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах».

Источник

Атомная модель томсоновских характеристик, экспериментов, постулатов

Атомная модель Томсона был признан в мире за то, что впервые осветил конфигурацию протонов и электронов в структуре атома. Благодаря этому предложению Томсон предположил, что атомы были однородными и содержали положительный заряд однородным образом со случайными вставками электронов внутри каждого атома..

Чтобы описать это, Томсон сравнил свою модель со сливовым пудингом. Это сравнение позже использовалось в качестве альтернативного имени для модели. Однако из-за ряда несоответствий (теоретических и экспериментальных) в отношении распределения электрических зарядов внутри атома модель Томсона была отброшена в 1911 г..

происхождения

Эта атомная модель была предложена английским ученым Джозефом Джоном «Дж. Дж.» Томсоном в 1904 г. с целью объяснения состава атомов на основе представлений, о которых мы знали к тому времени..

Кроме того, Томсон был ответственным за открытие электрона в конце 19-го века. Стоит отметить, что модель атома Томсона была предложена вскоре после открытия электрона, но до того, как стало известно о существовании атомного ядра..

Поэтому предложение состояло в рассредоточенной конфигурации всех отрицательных зарядов внутри атомной структуры, которая, в свою очередь, состояла из однородной массы положительного заряда..

черты

— Атом имеет нейтральный заряд.

— Существует источник положительного заряда, который нейтрализует отрицательный заряд электронов.

— Этот положительный заряд равномерно распределен в атоме.

— По словам Томсона, «отрицательно электрифицированные корпускулы», то есть электроны, содержатся в однородной массе положительного заряда.

— Электроны могли свободно выводиться внутри атома.

— Электроны имели стабильные орбиты, аргумент, основанный на законе Гаусса. Если электроны перемещались через положительную «массу», внутренние силы внутри электронов были уравновешены положительным зарядом, который автоматически генерировался вокруг орбиты..

— Модель Томсона была широко известна в Англии как модель черносливного пудинга, поскольку предложенное Томсоном распределение электронов было похоже на расположение слив в указанном десерте..

Эксперименты по разработке модели

Томсон провел несколько испытаний с электронно-лучевыми трубками, чтобы проверить свойства субатомных частиц и заложить основы своей модели. Катодно-лучевые трубки представляют собой стеклянные трубки, содержание воздуха в которых опустошено почти полностью.

Эти трубки электрифицированы с помощью батареи, которая поляризует трубку, чтобы иметь отрицательный конец заряда (катод) и положительно заряженный конец (анод).

Они также герметизированы с обеих сторон и подвергаются воздействию высокого напряжения путем электрификации двух электродов, размещенных на катоде устройства. Эта конфигурация вызывает циркуляцию пучка частиц от катода к аноду трубки.

Катодные лучи

Существует происхождение названия этого типа инструментов, так как они называются катодными лучами из-за точки выхода частиц внутри трубки. Окрашивая анод трубки материалом, таким как фосфор или свинец, на положительном конце генерируется реакция как раз тогда, когда пучок частиц сталкивается с ним..

В своих экспериментах Томсон определил отклонение луча на пути от катода к аноду. Позже Томсон попытался проверить свойства этих частиц: в основном, электрический заряд и реакцию между ними..

Английский физик разместил две электрические пластины с противоположным зарядом на верхнем и нижнем концах трубки. Из-за этой поляризации луч был отклонен к положительно заряженной пластине, расположенной на верхнем упоре.

Таким образом, Томсон показал, что катодный луч состоит из отрицательно заряженных частиц, которые благодаря своему противоположному заряду притягиваются к положительно заряженной пластине..

Эволюция в исследованиях

Томсон развил свои предположения и, после этого открытия, поместил два магнита с обеих сторон трубки. Это включение также повлияло на некоторые отклонения катодного луча.

Анализируя соответствующее магнитное поле, Томсон смог определить отношение массы к заряду субатомных частиц и обнаружил, что масса каждой субатомной частицы была незначительной по сравнению с атомной массой..

Джей-Джей Томсон создал устройство, которое предшествовало изобретению и усовершенствовало то, что сейчас известно как масс-спектрометр.

Это устройство выполняет довольно точное измерение взаимосвязи между массой и зарядом ионов, что дает чрезвычайно полезную информацию для определения состава элементов, присутствующих в природе..

Повторение эксперимента

Томсон неоднократно проводил один и тот же эксперимент, модифицируя металлы, которые он использовал для размещения электродов в электронно-лучевой трубке..

Наконец, он определил, что свойства луча остаются постоянными, независимо от материала, используемого для электродов. То есть этот фактор не был определяющим при выполнении эксперимента.

Исследования Томсона были очень полезны для объяснения молекулярной структуры некоторых веществ, а также образования атомных связей.

постулаты

Модель Томсона объединила в одном заявлении благоприятные выводы британского ученого Джона Далтона о строении атома и намекала на присутствие электронов в каждом атоме.

Кроме того, Томсон также провел несколько исследований протонов в неоновом газе и тем самым продемонстрировал электрическую нейтральность атомов. Однако положительный заряд на атоме был предложен как однородная масса, а не как частицы.

Эксперимент Томсона с катодными лучами позволил сформулировать следующие научные постулаты:

— Катодный луч состоит из субатомных частиц с отрицательным зарядом. Томсон первоначально определил эти частицы как «корпускулы».

— Масса каждой субатомной частицы в 0,0005 раз превышает массу атома водорода..

— Эти субатомные частицы находятся во всех атомах всех элементов Земли.

— Атомы электрически нейтральны; то есть отрицательный заряд «корпускул» приравнивается к положительному заряду протонов.

Спорная модель

Модель атома Томсона оказалась весьма спорной в рамках научного сообщества, потому что это идет вразрез с моделью атома Дальтона.

Последний постулировал, что атомы являются неделимыми единицами, несмотря на комбинации, которые могут генерироваться в ходе химических реакций..

Напротив, Томсон нашел новую модель, которая обеспечивала альтернативное объяснение атомного и субатомного состава после открытия электрона..

Атомная модель Томсона была быстро обнаружена сравнением с популярным английским десертом «сливовый пудинг». Масса пудинга символизирует целостное представление об атоме, а сливы представляют каждый из электронов, составляющих атом.

ограничения

Модель, предложенная Томсоном, в то время пользовалась большой популярностью и признанием и послужила отправной точкой для исследования атомной структуры и точной настройки соответствующих деталей..

Основной причиной принятия модели было то, насколько хорошо она адаптировалась к наблюдениям экспериментов Томсона с катодными лучами..

Тем не менее, модель имела важные возможности для улучшения, чтобы объяснить распределение электрических зарядов внутри атома, как положительных, так и отрицательных зарядов.

Исследования Резерфода

Позже, в десятилетии 1910 года, научная школа под руководством Томсона продолжила исследования по моделям строения атома..

Так Эрнест Резерфорд, бывший ученик Томсона, определил ограничения атомной модели Томсона в компании британского физика Эрнеста Марсдена и немецкого физика Ганса Гейгера..

Трио ученых провело несколько экспериментов с альфа (α) частицами, то есть ионизированными ядрами молекул 4Не, без электронного покрытия вокруг них..

Частицы этого типа состоят из двух протонов и двух нейтронов, поэтому положительный заряд преобладает. Альфа-частицы образуются в ядерных реакциях или в результате экспериментов с радиоактивным распадом.

Резерфорд разработал схему, которая позволяла оценивать поведение альфа-частиц при пересечении твердых веществ, таких как, например, листы золота..

При анализе пути было обнаружено, что некоторые частицы имели угол отклонения при проникновении в листы золота. В других случаях незначительный отскок был также замечен на элементе удара.

После исследований с альфа-частицами Резерфод, Марсден и Гейгер противоречили атомной модели Томсона и предложили новую атомную структуру..

Новое предложение

Встречное предложение Резерфорда и его коллег состояло в том, что атом состоит из небольшого ядра высокой плотности, в котором вокруг него сосредоточены положительные заряды и кольцо электронов..

Открытие Резерфордом атомного ядра принесло с собой новый воздух для научного сообщества. Однако спустя годы эта модель также была аннулирована и заменена атомной моделью Бора..

Источник

Строение планетарной модели атома Томсона: плюсы и минусы

Модель атома Томпсона — что из себя представляет

Модель атома Томпсона является одной из ранних моделей, описывающей строение атома, которая в дальнейшем была признана несостоятельной.

Рассматриваемая модель атома была представлена в 1904 году Д.Д. Томпсоном. Открытию предшествовало обнаружение электронов, а после формулировки гипотезы было обнаружено атомное ядро.

Томпсон выдвинул предположение о том, что атом является равномерно распределенным по всему объему зарядом со знаком плюс. Положительно заряженное «облако» содержит внутри небольшие электроны с отрицательным зарядом, расположение которых определено случайно.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Подобная модель напоминает пудинг с изюмом. Общий заряд атома нейтрален, что обусловлено равенством по модулю суммарного заряда электронов и заряда «облака». Данную модель нередко называют «пудинговой моделью атома».

Предыстория открытия, чем отличалась от модели Резерфорда

В физике 1897 год отмечен знаменательным событием. В это время Джозефом Джоном Томпсоном были открыты электроны. Таким образом, ученому удалось экспериментальным путем подтвердить гипотезу о том, что атом – не «монолитная» частица. Вместе с тем отсутствовало точное представление о характере элементарных частиц.

В результате серии опытов был определен отрицательный заряд электронов. При этом имелась информация о нейтральном заряде атомов. Томпсон выдвинул предположение о наличии некого источника положительного заряда в атоме, что позволяет компенсировать отрицательный заряд электронов. Английским физиком было выдвинуто несколько вероятных механизмов взаимодействия частиц, находящихся внутри атома:

Ученый остановился на третьем варианте, который казался ему наиболее вероятным, отражающим структуру атомов. Публикация модели атома Томпсона состоялась в 1904 году в мартовском выпуске издания Philosophical Magazine. Журнал пользовался авторитетом в Британии.

Мнение автора заключалось в том, что атомы элементов включают в себя определенное количество отрицательно наэлектризованных корпускул или электронов, которые заключены в сферу равномерной положительной электризации. Тем самым, ученый отказался от предшествующей своей теории о «туманном атоме», согласно которой частицы состояли из нематериальных вихрей.

Научное сообщество проявило большой интерес к публикации Томпсона. Однако гипотеза столкнулась с критикой со стороны многих авторитетных физиков по причине отсутствия прочных доказательств. С другой стороны, рассматриваемая модель атома полностью отвечала представлениям и результатам экспериментов, которые были известны в то время.

Только в 1911 году была представлена более точная модель атома Резерфорда. Отличие от модели Томпсона заключается в том, что, согласно представлениям Резерфорда, положительный заряд расположен в малой области атома, а компенсирующие электроны окружают его. К такому утверждению ученый пришел в результате экспериментов по бомбардировке атомов. В дальнейшем данная модель рассматривалась в качестве планетарной модели атома по Резерфорду.

Как описывал атом Томпсон, почему модель назвали «Пудинг с изюмом»

Томпсон был известен, как проницательный и практичный ученый. Основываясь на известных экспериментальных данных, он выдвинул гипотезу об атомной модели. Предположение о том, что объем заряда положительный, является отражением научного подхода Томпсона к открытию, которое стало руководством к действию для дальнейших экспериментов.

Исходя из теории, стабилизация орбит электронов внутри атомной модели Томпсона объясняется воздействием возрастающей силы притяжения на электрон, удаляющийся от центра положительно заряженной сферы или облака. Данное воздействие способствует возвращению электрона, что обусловлено законом Гаусса, подтверждающим более высокую концентрацию положительного заряда во внутренней области сферы.

Рассматриваемая модель предполагает свободное вращение электронов по кольцам, дополнительно стабилизированным, благодаря взаимодействию электронов между собой. С помощью спектроскопических значений объяснялись энергетические различия между отдельными кольцевыми орбитами.

По представлениям тех времен, расположение электронов в сфере с положительным зарядом напоминало изюм в пироге или фруктовые кусочки в сливовом пудинге. В связи с этим концепция приобрела название «пудинговой» модели атома.

Плюсы и минусы теории

Модель Томпсона является объяснением излучения атомов. Однако весь комплекс эмпирических данных по спектрам атома не был подтвержден в этой модели. Формулы определенных химических элементов описали их спектры, но противоречили рассматриваемой модели. Таким образом, с помощью модели Томпсона не получилось объяснить дискретный характер, которым обладают спектры атомов.

Проблема также заключалась в описании устойчивости атома. Представленная модель не могла охарактеризовать рентгеновское и гамма-излучения, которые испускают атомы. Кроме того, отсутствовали пояснения относительно определения размеров атома. Модель противоречила опытам, направленных на изучение того, как распределяется положительный заряд в атоме. Спустя некоторое время после создания модель Томсона признали ошибочной.

В настоящее время рассматриваемая модель имеет историческое значение и, несмотря на несостоятельность, является важным элементом в цепочке развития научных знаний о строении вещества. В качестве еще одного достоинства модели атома Томпсона можно отметить ее простоту. Благодаря этому преимуществу, гипотезу удалось опровергнуть и продвигать науку дальше.

Дилемма несоответствия, дальнейшее развитие

С увеличением объема экспериментальных данных научное сообщество убеждалось в том, что сущность модели атома Томпсона не соответствовала действительности. Попытки ученого усовершенствовать выдвинутую гипотезу не увенчались успехом. Томпсону не удалось объяснить некоторые из ключевых спектральных линий, которые были выявлены опытным путем при исследовании состава нескольких элементов.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под кураторством профессора Эрнеста Резерфорда поставили опыты над тонким золотым листом. Схема эксперимента заключалась в рассеивании альфа-частиц на фольге из золота. Полученные данные не оправдали ожидания. В 1911 году Резерфорд по итогу длительных размышлений представил миру собственную концепцию, которая затем получила название «модель атома Резерфорда».

Ученый предположил, что в центральной области атомов золота находится очень маленькое ядро, обладающее мощным положительным зарядом, что позволяет удержать порядка ста электронов.

Сразу после публикации гипотезы Резерфорда было выдвинуто предположение ученым Антониусом Ван ден Бруком о равенстве атомного номера элемента общему количеству единиц заряда, которые присутствуют в его ядре. В 1913 году Генри Мозли предоставил нужную информацию, доказывающую теорию Ван ден Брука. Было установлено соответствие эффективного ядерного заряда атомному номеру.

Исследование легло в основу характеристики полуклассической модели атомов, созданной Нильсом Бором в 1913 году. Данная модель напоминает то, как взаимодействуют Солнце и планеты в Солнечной системе, но при наличии квантовых ограничений.

Хаас опубликовал работу на три года раньше, чем были представлены выводы Нильса Бора. Важно заметить, что боровская модель обеспечивает достаточно точные прогнозы для атомных и ионных систем, имеющих один эффективный электрон. С помощью теории «пудинга» можно рассчитать оптимальное распределение идентичных точечных зарядов на единичной сфере, которую называют проблемой Томпсона.

Электростатическое взаимодействие электронов, которые ограничены с помощью сферических квантовых точек, идентично их обработке в атомной модели Томпсона. Классическая задача подразумевает моделирование квантовой точки как простой диэлектрической сферы со свободными или избыточными электронами, а не однородной сферы с положительным зарядом, которая описана в модели «пучкового пудинга».

Источник