THOMSONŮV ATOMOVÝ MODEL: CHARAKTERISTIKY, POSTULÁTY, SUBATOMICKÉ ČÁSTICE - FYZICKÝ - 2025

Atomový model Thomson byl vytvořen oslavovaným anglický fyzik JJ Thomson, který objevil elektron. Za tento objev a práci na elektrickém vedení v plynech získal Nobelovu cenu za fyziku z roku 1906.

Z jeho práce s katodovými paprsky vyšlo najevo, že atom nebyl nedělitelnou entitou, jak Dalton předpokládal v předchozím modelu, ale obsahoval dobře definovanou vnitřní strukturu.

Thomson vytvořil model atomu na základě výsledků jeho experimentů s katodovými paprsky. V něm uvedl, že elektricky neutrální atom je tvořen kladnými a zápornými náboji stejné velikosti.

Jak se jmenoval Thomsonův atomový model a proč?

Podle Thomsona byl kladný náboj rozložen po celém atomu a záporné náboje byly v něm zabudovány, jako by šlo o rozinky v pudinku. Z tohoto srovnání pocházel termín "rozinky pudink", jak byl model neformálně známý.

Joseph John Thomson

Ačkoli Thomsonova myšlenka dnes vypadá docela primitivně, v té době to představovalo nový příspěvek. Během krátkého života modelu (od roku 1904 do roku 1910) měl podporu mnoha vědců, i když mnoho jiných to považovalo za kacířství.

Nakonec v roce 1910 se objevily nové důkazy o atomové struktuře a Thomsonův model rychle klesl na stranu. To se stalo, jakmile Rutherford zveřejnil výsledky svých experimentů s rozptylem, které odhalily existenci atomového jádra.

Thomsonův model však jako první postuloval existenci subatomových částic a jeho výsledky byly plody jemných a přísných experimentů. Tímto způsobem vytvořil precedens pro všechny objevy, které následovaly.

Charakteristika a postuláty Thomsonova modelu

Thomson dospěl k atomovému modelu na základě několika pozorování. První bylo, že rentgenové paprsky nově objevené Roentgenem byly schopné ionizovat molekuly vzduchu. Do té doby byl jediným způsobem ionizace chemická separace iontů v roztoku.

Anglickému fyzikovi se však pomocí rentgenových paprsků podařilo úspěšně ionizovat i monatomické plyny, jako je hélium, což ho vedlo k přesvědčení, že náboj uvnitř atomu lze oddělit, a že tedy není nedělitelný. mohly by být odkloněny elektrickými a magnetickými poli.

JJ Thomson, objevitel elektronů. Zdroj: Lifeder.

Thomson tedy vymyslel model, který správně vysvětlil skutečnost, že atom je elektricky neutrální a že katodové paprsky jsou složeny ze záporně nabitých částic.

Pomocí experimentálních důkazů Thomson charakterizoval atom následovně:

-Atom je elektricky neutrální pevná koule s přibližným poloměrem 10 - ¹⁰ m.

- Pozitivní náboj je distribuován více či méně rovnoměrně v celé sféře.

- Atom obsahuje negativně nabité „tělíska“, které zajišťují jeho neutralitu.

- Tyto tělíska jsou stejná pro všechny věci.

-Když je atom v rovnováze, je v kruhu pozitivního náboje pravidelně uspořádáno n kruhů.

- Hmotnost atomu je rovnoměrně rozložena.

Katodové paprsky

Paprsek elektronů směřuje z katody do anody.

Thomson provedl své experimenty pomocí katodových paprsků, objevených v roce 1859. Katodové paprsky jsou svazky negativně nabitých částic. K jejich výrobě se používají vakuové skleněné trubice, ve kterých jsou umístěny dvě elektrody, nazývané katoda a anoda.

Potom je veden elektrický proud, který zahřívá katodu, která tedy vydává neviditelné záření, které je směrováno přímo na protější elektrodu.

Pro detekci záření, které není ničím jiným než katodovými paprsky, je stěna trubice za anodou pokryta fluorescenčním materiálem. Když tam záření dopadne, stěna trubice vydává intenzivní jas.

Pokud se pevný předmět dostane do cesty katodovým paprskům, vrhá stín na stěnu trubice. To znamená, že paprsky se pohybují v přímé linii a také je lze snadno blokovat.

Povaha katodových paprsků byla široce diskutována, protože jejich povaha nebyla známa. Někteří si mysleli, že se jedná o vlny elektromagnetického typu, zatímco jiní argumentovali, že se jedná o částice.

Subatomické částice z Thomsonova atomového modelu

Thomsonův atomový model je, jak jsme řekli, první, kdo postuluje existenci subatomových částic. Thomsonovy krvinky nejsou nic jiného než elektrony, základní záporně nabité částice atomu.

Nyní víme, že další dvě základní částice jsou pozitivně nabitý proton a nenabitý neutron.

Ty však nebyly objeveny v té době, kdy Thomson vyvinul svůj model. Pozitivní náboj v atomu byl v něm rozptýlen, nepovažoval žádnou částici za nesení tohoto náboje a v tuto chvíli neexistoval důkaz o jeho existenci.

Z tohoto důvodu měl jeho model prchavou existenci, protože během několika let Rutherfordovy experimenty s rozptylem vydláždily cestu pro objev protonu. A pokud jde o neutron, Rutherford sám navrhl její existenci několik let před tím, než byl konečně objeven.

Crookesova trubice

Sir William Crookes (1832-1919) navrhl trubku, která nese jeho jméno kolem roku 1870, se záměrem pečlivě studovat povahu katodových paprsků. Přidal elektrická pole a magnetická pole a pozoroval, že paprsky byly jimi vychylovány.

Schéma trubice katodových paprsků. Zdroj: Knight, R.

Tímto způsobem Crookes a další vědci, včetně Thomsona, zjistili, že:

1. Uvnitř katodové trubice byl generován elektrický proud
2. Paprsky byly vychylovány přítomností magnetických polí, stejně jako záporně nabité částice.
3. Jakýkoli kov používaný k výrobě katody byl stejně dobrý při výrobě katodových paprsků a jejich chování bylo nezávislé na materiálu.

Tato pozorování podnítila diskusi o původu katodových paprsků. Ti, kdo tvrdili, že jsou to vlny, vycházeli ze skutečnosti, že katodové paprsky mohou cestovat po přímce. Tato hypotéza navíc velmi dobře vysvětlila stín, že vložený pevný předmět vrhá na stěnu trubice a za určitých okolností bylo známo, že vlny mohou způsobit fluorescenci.

Místo toho však nebylo pochopeno, jak je možné, aby magnetická pole odklonila katodové paprsky. To lze vysvětlit pouze tehdy, pokud byly tyto paprsky považovány za částice, což je hypotéza, kterou Thomson sdílel.

Nabité částice v jednotných elektrických a magnetických polích

Nabitá částice s nábojem q zažívá sílu Fe uprostřed stejného elektrického pole E o velikosti:

Fe = qE

Když nabitá částice kolmo prochází rovnoměrným elektrickým polem, jako je například pole vytvořené mezi dvěma deskami s opačným nábojem, dochází k prohnutí a následnému zrychlení:

qE = ma

a = qE / m

Na druhou stranu, pokud se nabitá částice pohybuje rychlostí v v, uprostřed rovnoměrného magnetického pole velikosti B, má magnetická síla Fm, kterou zažívá, následující intenzitu:

Fm = qvB

Dokud jsou vektory rychlosti a magnetického pole kolmé. Když je nabitá částice kolmá na homogenní magnetické pole, podstoupí také průhyb a jeho pohyb je rovnoměrný kruhový.

Centipetální zrychlení a _{c je} v tomto případě:

qvB = ma _c

Centipetální zrychlení je zase spojeno s rychlostí částice v a poloměrem R kruhové dráhy:

a _c = v ² / R

Tím pádem:

qvB = mv ² / R

Poloměr kruhové dráhy lze vypočítat takto:

R = mv / qB

Později budou tyto rovnice použity k opětovnému vytvoření způsobu, jakým Thomson odvodil vztah náboj-hmotnost elektronu.

Thomsonův experiment

Thomson prošel paprskem katodových paprsků, paprskem elektronů, ačkoli to ještě nevěděl, skrze stejná elektrická pole. Tato pole jsou vytvořena mezi dvěma nabitými vodivými destičkami oddělenými malou vzdáleností.

Rovněž prošel katodovými paprsky přes jednotné magnetické pole a pozoroval účinek, který to mělo na paprsek. V jednom poli i ve druhém došlo k průhybu v paprscích, což Thomsona přimělo myslet si, že paprsek byl složen z nabitých částic.

Aby to bylo možné ověřit, provedl Thomson několik katodových paprsků:

1. Měnil elektrická a magnetická pole, dokud se síly nezrušily. Tímto způsobem prošly katodové paprsky, aniž by došlo k průhybu. Tím, že vyrovnal elektrické a magnetické síly, Thomson byl schopný určovat rychlost částic v paprsku.
2. To zrušilo intenzitu elektrického pole, tímto způsobem částice sledovaly kruhovou cestu uprostřed magnetického pole.
3. Zkombinoval výsledky kroků 1 a 2, aby určil poměr náboje a hmotnosti „těl“.

Poměr náboje a hmotnosti elektronu

Thomson určil, že poměr náboje a hmotnosti částic, které tvoří paprsek katody, má následující hodnotu:

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

Kde q představuje náboj „těla“, což je ve skutečnosti elektron, a m je jeho hmotnost. Thomson postupoval podle postupu popsaného v předchozí části, který zde vytvoříme krok za krokem, s rovnicemi, které použil.

Když katodové paprsky procházejí kříženým elektrickým a magnetickým polem, prochází bez průhybu. Když je elektrické pole zrušeno, zasáhnou horní část trubice (magnetické pole je označeno modrými tečkami mezi elektrodami). Zdroj: Knight, R.

Krok 1

Vyrovnejte elektrickou sílu a magnetickou sílu, procházející paprskem kolmými elektrickými a magnetickými poli:

qvB = qE

Krok 2

Určete rychlost získanou částicemi v paprsku, když prochází přímo bez vychýlení:

v = E / B

Krok 3

Zrušte elektrické pole a ponechejte pouze magnetické pole (nyní je zde výchylka):

R = mv / qB

S v = E / B to vede k:

R = Me / qB ²

Poloměr orbity lze měřit:

q / m = v / RB

Dobře:

q / m = E / RB ²

Další kroky

Další věcí, kterou Thomson udělal, bylo změřit poměr q / m pomocí katod z různých materiálů. Jak již bylo zmíněno, všechny kovy emitují katodové paprsky se stejnými charakteristikami.

Poté Thomson porovnával jejich hodnoty s hodnotami poměru q / m vodíkového iontu, získaného elektrolýzou, a jehož hodnota je přibližně 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Poměr náboje a hmotnosti elektronu je přibližně 1750krát vyšší než poměr vodíkového iontu.

Proto měly katodové paprsky mnohem větší náboj, nebo snad mnohem menší hmotnost než ionty vodíku. Vodíkový ion je prostě proton, jehož existence se stala známou dlouho po experimentech s Rutherfordovým rozptylem.

Dnes je známo, že proton je téměř 1800krát hmotnější než elektron a má náboj stejné velikosti a opačné znaménko než elektron.

Dalším důležitým detailem je, že s Thomsonovými experimenty nebyl elektrický náboj elektronu určen přímo, ani hodnota jeho hmotnosti odděleně. Tyto hodnoty byly určeny experimenty Millikan, které začaly v roce 1906.

Thomsonovy a Daltonovy modelové rozdíly

Zásadní rozdíl těchto dvou modelů spočívá v tom, že Dalton si myslel, že atom je koule. Na rozdíl od Thomsona nenavrhoval existenci kladných ani záporných poplatků. Pro Daltona vypadal atom takto:

Atom Daltonu

Jak jsme viděli dříve, Thomson si myslel, že atom je dělitelný a jehož struktura je tvořena pozitivní koulí a elektrony kolem něj.

Chyby modelu a omezení

V té době se Thomsonovu atomovému modelu podařilo velmi dobře vysvětlit chemické chování látek. Také přesně vysvětlil jevy, ke kterým došlo v trubici s katodovým paprskem.

Ve skutečnosti však Thomson ani nenazval své částice „elektrony“, ačkoli tento termín již dříve vytvořil George Johnstone Stoney. Thomson je jednoduše nazval „těly“.

Ačkoli Thomson využil všech dostupných poznatků, které měl v té době k dispozici, v jeho modelu existuje několik důležitých omezení, která se projevila velmi brzy:

- Kladný náboj není distribuován po celém atomu. Experimenty s Rutherfordovým rozptylem ukázaly, že kladný náboj atomu je nutně omezen na malou oblast atomu, která se později stala známou jako atomové jádro.

- Elektrony mají specifickou distribuci v každém atomu. Elektrony nejsou rovnoměrně rozloženy, jako rozinky slavného pudinku, ale mají uspořádání na orbitálech, které později odhalily modely.

Právě uspořádání elektronů v atomu umožňuje uspořádání prvků podle jejich charakteristik a vlastností v periodické tabulce. To bylo důležité omezení Thomsonova modelu, který nemohl vysvětlit, jak je možné takto objednat prvky.

- Atomové jádro je jádro, které obsahuje většinu hmoty. Thomsonův model předpokládal, že v něm byla rovnoměrně distribuována hmotnost atomu. Ale dnes víme, že hmotnost atomu je prakticky soustředěna v protonech a neutronech jádra.

Je také důležité si uvědomit, že tento model atomu neumožňuje odvodit typ pohybu, který měly elektrony uvnitř atomu.

Články zájmu

Schrödingerův atomový model.

Atomový model De Broglie.

Chadwickův atomový model.

Heisenbergův atomový model.

Perrinův atomový model.

Daltonův atomový model.

Atomový model Dirac Jordan.

Atomový model Demokrita.

Bohrův atomový model.

Sommerfeldský atomový model.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. HSC Course. Fyzika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsonův atomový model. Obnoveno z: es.wikipedia.org.