THOMSONS ATOMMODELL: EGENSKAPER, POSTULATER, SUBATOMÄRA PARTIKLAR - FYSISK - 2025

Den atommodell av Thomson skapades av den berömda engelska fysikern JJ Thomson, som upptäckte elektronen. För denna upptäckt och hans arbete med elektrisk ledning i gaser tilldelades han Nobelpriset i fysik 1906.

Från hans arbete med katodstrålar blev det tydligt att atomen inte var en odelbar enhet, som Dalton hade postulerat i föregående modell, utan innehöll en väldefinierad intern struktur.

Thomson gjorde en modell av atomen baserad på resultaten från hans experiment med katodstrålar. I den uttalade han att den elektriskt neutrala atomen var uppbyggd av positiva och negativa laddningar av samma storlek.

Vad hette Thomsons atommodell och varför?

Enligt Thomson fördelades den positiva laddningen över atomen och de negativa laddningarna inbäddades i den som om de var russin i en pudding. Från denna jämförelse kom termen "russinpudding", eftersom modellen var informellt känd.

Joseph John Thomson

Även om Thomsons idé ser ganska primitiv ut idag, representerade den vid den tiden ett nytt bidrag. Under modellens korta livslängd (från 1904 till 1910) hade den stöd av många forskare, även om många andra ansåg det som kätteri.

Slutligen 1910 kom nya bevis om atomstrukturen, och Thomsons modell föll snabbt åt sidan. Detta hände så snart Rutherford publicerade resultaten från sina spridningsexperiment, som avslöjade existensen av atomkärnan.

Thomsons modell var emellertid den första som postulerade förekomsten av subatomära partiklar och dess resultat var frukten av fin och rigorös experiment. På detta sätt satt han prejudikatet för alla upptäckter som följde.

Egenskaper och postulat av Thomson-modellen

Thomson kom fram till sin atomodell baserad på flera observationer. Den första var att röntgenstrålarna som nyligen upptäcktes av Roentgen kunde jonisera luftmolekyler. Fram till dess var det enda sättet att jonisera genom att kemiskt separera joner i lösning.

Men den engelska fysikern lyckades med framgång jonisera även monatomiska gaser som helium med hjälp av röntgenstrålar, vilket ledde till att han trodde att laddningen inuti atomen kunde separeras och att den därför inte var odelbar. Han observerade också att katodstrålar de kan avledas av elektriska och magnetiska fält.

JJ Thomson, elektroniska upptäcker. Källa: Lifeder.

Så Thomson tänkte en modell som korrekt förklarade det faktum att atomen är elektriskt neutral och att katodstrålar består av negativt laddade partiklar.

Med hjälp av experimentella bevis, karakteriserade Thomson atomen enligt följande:

-Atomen är en elektriskt neutral fast sfär, med en ungefärlig radie på 10 ^-10 m.

-Den positiva laddningen fördelas mer eller mindre enhetligt över hela sfären.

-Atomen innehåller negativt laddade "kroppar", som säkerställer dess neutralitet.

- Dessa kroppar är desamma för alla ämnen.

-När atomen är i jämvikt, finns det n kroppar som regelbundet är anordnade i ringar inom området för positiv laddning.

-Atomens massa är jämnt fördelad.

Katodstrålar

Elektronstråle riktas från katoden till anoden.

Thomson genomförde sina experiment med hjälp av katodstrålar, upptäckt 1859. Katodstrålar är buntar med negativt laddade partiklar. För att producera dem används vakuumglasrör, där två elektroder placeras, kallad katod och anod.

En elektrisk ström passeras sedan som värmer upp katoden, som på detta sätt avger osynlig strålning som riktas direkt till motsatt elektrod.

För att upptäcka strålning, som inte är annat än katodstrålar, täcks rörets vägg bakom anoden med ett lysrör. När strålningen når dit ger rörets vägg en intensiv ljusstyrka.

Om ett fast föremål kommer i vägen för katodstrålarna, kastar det en skugga på rörets vägg. Detta indikerar att strålarna rör sig i en rak linje och att de lätt kan blockeras.

Naturen av katodstrålar diskuterades i stor utsträckning, eftersom deras natur var okänd. Vissa trodde att det var vågor av elektromagnetisk typ, medan andra hävdade att de var partiklar.

Subatomiska partiklar från Thomsons atommodell

Thomsons atommodell är som sagt den första som postulerar förekomsten av subatomära partiklar. Thomsons kroppar är inget annat än elektroner, atomens grundläggande negativt laddade partiklar.

Vi vet nu att de andra två grundläggande partiklarna är den positivt laddade protonen och den oladdade neutronen.

Men dessa upptäcktes inte när Thomson utvecklade sin modell. Den positiva laddningen i atomen fördelades i den, den ansåg inte någon partikel för att bära denna laddning och för tillfället fanns det inga bevis för dess existens.

Av denna anledning hade hans modell en flyktig existens, eftersom Rutherfords spridningsförsök under några år banade vägen för upptäckten av protonen. Och när det gäller neutronen föreslog Rutherford själv dess existens några år innan den äntligen upptäcktes.

Crookes rör

Sir William Crookes (1832-1919) designade röret som bär hans namn omkring 1870, med avsikt att noggrant studera naturen hos katodstrålar. Han adderade elektriska fält och magnetfält och observerade att strålarna böjdes av dem.

Katodstrålerörsschema. Källa: Knight, R.

På detta sätt fann Crookes och andra forskare, inklusive Thomson, att:

1. En elektrisk ström genererades inuti katodstråleröret
2. Strålarna avleddes av närvaron av magnetfält, på samma sätt som negativt laddade partiklar.
3. All metall som användes för att framställa katoden var lika bra på att producera katodstrålar, och deras beteende var oberoende av material.

Dessa observationer gav upphov till diskussionen om katodstrålarnas ursprung. De som hävdade att de var vågor baserade sig på att katodstrålar kunde röra sig i en rak linje. Dessutom förklarade denna hypotes mycket väl skuggan som ett inskjutet fast föremål kastade på rörets vägg och under vissa omständigheter var det känt att vågorna kunde orsaka fluorescens.

Men istället förstod man inte hur det var möjligt för magnetfält att avleda katodstrålar. Detta kunde bara förklaras om dessa strålar betraktades som partiklar, en hypotes som Thomson delade.

Laddade partiklar i enhetliga elektriska och magnetiska fält

En laddad partikel med laddning q upplever en kraft Fe i mitten av ett enhetligt elektriskt fält E, av storleken:

Fe = qE

När en laddad partikel vinkelrätt passerar genom ett enhetligt elektriskt fält, såsom den som produceras mellan två plattor med motsatta laddningar, upplever den en avböjning, och följaktligen en acceleration:

qE = ma

a = qE / m

Å andra sidan, om den laddade partikeln rör sig med en hastighet av storleken v, i mitten av ett enhetligt magnetfält med storleken B, har den magnetiska kraften Fm den upplever följande intensitet:

Fm = qvB

Så länge hastighets- och magnetfältvektorerna är vinkelräta. När en laddad partikel är vinkelrätt mot ett homogent magnetfält genomgår den också en avböjning och dess rörelse är enhetlig cirkulär.

Den centripetala accelerationen a _c i detta fall är:

qvB = ma _c

I sin tur är centripetalaccelerationen relaterad till hastigheten för partikeln v och radien R för den cirkulära banan:

a _c = v ² / R

Således:

QVB = mv ² / R

Radien för den cirkulära banan kan beräknas enligt följande:

R = mv / qB

Senare kommer dessa ekvationer att användas för att återskapa sättet Thomson härledde laddningsmassförhållandet för elektronen.

Thomsons experiment

Thomson passerade en stråle av katodstrålar, en stråle av elektroner, även om han inte visste det ännu, genom enhetliga elektriska fält. Dessa fält skapas mellan två laddade ledande plattor separerade med ett litet avstånd.

Han passerade också katodstrålar genom ett enhetligt magnetfält och observerade effekten detta hade på strålen. Inom det ena fältet som det andra fanns det en avböjning i strålarna, vilket fick Thomson att tänka, korrekt, att strålen var sammansatt av laddade partiklar.

För att verifiera detta genomförde Thomson flera strategier med katodstrålar:

1. Han varierade de elektriska och magnetiska fälten tills krafterna avbröt. På detta sätt passerade katodstrålarna utan att uppleva avböjning. Genom att jämföra de elektriska och magnetiska krafterna kunde Thomson bestämma hastigheten för partiklarna i strålen.
2. Det ogiltigförde det elektriska fältets intensitet, på detta sätt följde partiklarna en cirkulär bana i mitten av magnetfältet.
3. Han kombinerade resultaten från steg 1 och 2 för att bestämma laddning-massförhållandet för "kropparna".

Laddnings-massförhållandet för elektronen

Thomson bestämde att laddning-massförhållandet för partiklarna som utgör katodstrålstrålen har följande värde:

q / m = 1,758820 x 10 ^ C. kg-1.

Där q representerar laddningen för "corpuscle", som faktiskt är elektron, och m är dess massa. Thomson följde proceduren som beskrivs i föregående avsnitt, som vi återskapar här steg för steg, med ekvationerna han använde.

När katodstrålar passerar genom de korsade elektriska och magnetiska fälten, passerar de utan avböjning. När det elektriska fältet avbryts träffar de rörets övre del (magnetfältet indikeras av de blå prickarna mellan elektroderna). Källa: Knight, R.

Steg 1

Utjämna den elektriska kraften och den magnetiska kraften genom att leda strålen genom de vinkelräta elektriska och magnetiska fälten:

qvB = qE

Steg 2

Bestäm den hastighet som partiklarna får i strålen när de passerar direkt utan avböjning:

v = E / B

Steg 3

Avbryt det elektriska fältet och lämnar bara magnetfältet (nu är det avböjning):

R = mv / qB

Med v = E / B resulterar det i:

R = mE / qB ²

Omloppets radie kan mätas, därför:

q / m = v / RB

Nåväl:

q / m = E / RB ²

Nästa steg

Nästa sak som Thomson gjorde var att mäta q / m-förhållandet med användning av katoder tillverkade av olika material. Som tidigare nämnts avger alla metaller katodstrålar med identiska egenskaper.

Sedan jämför Thomson dess värden med värdena förhållandet q / m för vätejon, erhållen genom elektrolys och vars värde är ungefär 1 x ¹⁰⁸ C / kg. Laddnings-massförhållandet för elektronen är ungefär 1750 gånger vätejonens.

Därför hade katodstrålarna mycket större laddning, eller kanske en massa som var mycket mindre än vätejonens. Vätjonjonen är helt enkelt en proton, vars existens blev känd långt efter Rutherfords spridningsförsök.

Idag är det känt att protonen är nästan 1800 gånger mer massiv än elektronen och med en laddning av lika stor storlek och motsatt tecken som den för elektronen.

En annan viktig detalj är att Thomsons experiment inte bestämde elektronens elektriska laddning eller värdet på dess massa separat. Dessa värden bestämdes av Millikan-experimenten, som började 1906.

Thomson och Dalton modellskillnader

Den grundläggande skillnaden mellan dessa två modeller är att Dalton trodde att atomen är en sfär. Till skillnad från Thomson föreslog han inte att det finns positiva eller negativa avgifter. För Dalton såg en atom så ut:

Dalton atom

Som vi har sett tidigare trodde Thomson att atomen var delbar och vars struktur bildas av en positiv sfär och elektroner runt den.

Modelfel och begränsningar

Då lyckades Thomsons atommodell mycket väl förklara ämnets kemiska beteende. Han förklarade också exakt de fenomen som inträffade i katodstråleröret.

Men i själva verket kallade Thomson inte ens sina partiklar för "elektroner", även om termen redan hade myntats tidigare av George Johnstone Stoney. Thomson kallade dem helt enkelt "korpuskler."

Även om Thomson utnyttjade all den kunskap som var tillgänglig för honom då, finns det flera viktiga begränsningar i hans modell, vilket blev uppenbart mycket tidigt på:

- Den positiva laddningen är inte fördelad över atomen . Rutherford-spridningsexperimenten visade att den positiva laddningen av atomen nödvändigtvis är begränsad till en liten region av atomen, som senare blev känd som atomkärnan.

- Elektroner har en specifik distribution inom varje atom . Elektronerna är inte jämnt fördelade, som russin i den berömda puddingen, utan har istället ett arrangemang i orbitaler som senare modeller avslöjade.

Det är just arrangemanget av elektronerna i atomen som gör att elementen kan organiseras efter deras egenskaper och egenskaper i det periodiska systemet. Detta var en viktig begränsning av Thomson-modellen, som inte kunde förklara hur det var möjligt att beställa element på detta sätt.

- Atomkärnan är den som innehåller större delen av massan. Thomsons modell antydde att atomens massa var jämnt fördelad i den. Men idag vet vi att atomens massa praktiskt taget är koncentrerad i protonerna och neutronerna i kärnan.

Det är också viktigt att notera att denna modell av atomen inte tillät slutsatsen av den rörelse som elektronerna hade i atomen.

Artiklar av intresse

Schrödingers atomodell.

De Broglie atommodell.

Chadwicks atommodell.

Heisenberg atommodell.

Perrins atommodell.

Daltons atommodell.

Dirac Jordan atommodell.

Atomisk modell av Democritus.

Bohrs atomodell.

Sommerfeld atommodell.

referenser

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurs. Fysik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysik. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
5. Wikipedia. Thomsons atommodell. Återställd från: es.wikipedia.org.