Model atomu Thomsona: popis a vyvrácení
Atomový model Thomson - jeden z nejčasnějších modelů strukturu atomu následně uznané jako insolventní. Nejprve navrhl DD. Thomson v roce 1904, krátce po objevení elektronů, ale před objevem atomového jádra.
Prehistorie
V roce 1897 nastala významná událost ve fyzice: Thompson Joseph John objevil elektrony, čímž experimentálně potvrdil předpoklad, že atom není "monolitická" částice. Nicméně neexistovala přesná představu o tom, jaké elementární částice jsou. Teprve v roce 1911 bude prezentován přesnější model atomu Rutherforda a předtím se vědecký svět zběsile potýkal s "tajemstvím století".
Hledat odpověď
Po sérii experimentů se ukázalo, že elektrony jsou negativně nabité a mezitím již bylo známo, že atomy mají neutrální náboj. Thomson rozumně navrhl, že atom by měl mít určitý zdroj pozitivního náboje, který by kompenzoval negativní náboj elektronů.
Anglický fyzik představil tři možné mechanismy interakce uvnitř částic.
- V prvním modelu atomu Thomsona se každý záporně nabitý elektron přitáhl k pozitivně nabité částice, která ho následovala všude uvnitř atomu.
- Ve druhém modelu se elektrony otáčejí kolem centrální oblasti pozitivního náboje, který má stejnou velikost jako všechny elektrony.
- Ve třetím modelu elektrony obsadily oblast vesmíru, což samo o sobě představuje jednotný kladný náboj (často označovaný jako "polévka" nebo "mrak" kladného náboje).
Vědec si vybral třetí možnost - nejpravděpodobnější strukturu atomů.
Pozornost veřejnosti
Model atomu Thomson v roce 1904 byl publikován v březnovém vydání filozofického časopisu, autoritativního vědeckého časopisu Británie. Podle autora se atomy prvků skládají ze série negativně elektrifikovaných buněk (elektronů) uzavřených v oblasti jednotné pozitivní elektrifikace. Thomson opustil svou dřívější hypotézu o "mlhavém atomu", ve kterém částice tvořily nehmotné víry.
Publikace vyvolala skutečný zájem o vědeckou komunitu. Neměla však pevné důkazy a proto byla kritizována řadou autoritářských fyziků. To však odpovídalo myšlenkám a experimentálním údajům, které byly v té době známy.
Popis modelu
Šikovný a praktický vědec Thomson založil svůj atomový model na známých experimentálních datech. Návrh kladného množství poplatku odráží povahu jeho vědeckého přístupu k objevu, který se stal návodem k akci pro budoucí experimenty.
Podle teorie byly oběžné dráhy elektronů uvnitř atomového modelu Thomson stabilizovány skutečností, že když se elektron pohyboval od středu kladně nabité koule (oblak), byl vystaven rostoucímu přitažlivé síly. Tato síla vrací elektron zpět, protože podle Gaussova zákona je ve sféře vyšší koncentrace kladného náboje. Podle modelu se elektrony mohly volně otáčet v kruzích, které byly dodatečně stabilizovány interakcí mezi elektrony a spektroskopické hodnoty vysvětlovaly energetické rozdíly mezi jednotlivými kruhovými oběžnými dráhami.
Podle myšlenky té doby byly elektrony umístěny v pozitivně nabité kouli, jako jsou rozinky v koláču, nebo kusy ovoce v britském oblíbeném dezertu - švestkové pudink. Proto je tento pojem nazýván také "pudinkovým" modelem atomu.
Rozporuplné dilema
S akumulací experimentálních dat byla nekonzistence této teorie pozorována stále více a jasněji. Thomson se neúspěšně pokusil o remake svého modelu, aby vysvětlil některé z hlavních spektrálních čar experimentálně identifikovaných pro několik prvků.
V roce 1909, Hans Geiger a Ernest Marsden pod vedením profesora Ernest Rutherford prováděli experimenty s tenkou vrstvou zlata, rozptylovaly alfa částice na zlaté fólii. Údaje se lišily od očekávaného. V 1911, Rutherford, po hodně úvahách, publikoval svůj vlastní koncept, později nazvaný atomovým modelem Rutherforda. Předpokládal přítomnost velmi malého jádra s nejsilnějším kladným nábojem ve středu atomů zlata, které stačilo držet asi sto elektronů.
Další vývoj
Ihned poté, co Rutherford zveřejnil své výsledky, Antonius Van den Broek intuitně navrhl, že atomové číslo prvku je celkový počet nábojových jednotek přítomných v jeho jádru. Henry Mosley v roce 1913 poskytl potřebné údaje k prokázání návrhu Van den Bruck. Bylo zjištěno, že účinný nukleární náboj odpovídá atomovému číslu.
Toto dílo sloužilo jako základ pro Niels Bohr k vytvoření semiklasického modelu atomů v roce 1913. To se podobá interakci svítidel a planet v sluneční soustavě, ale pouze s kvantovými omezeními.
Hodnota pro vědu
Atomový model Thomson byl impulsem pro rychlý rozvoj jaderné fyziky. Pojem "švestkový pudink" s jedním elektronem byl použit v roce 1910 fyzikem Arthurem Erichem Haasem, aby odhadl číselnou hodnotu Planckovy konstanty a Bohrův rádius atomů vodíku. Haasova práce byla publikována tři roky před závěry Niels Bohr. Je třeba poznamenat, že Bohr model poskytuje poměrně přesné předpovědi pro atomové a iontové systémy, které mají jeden účinný elektron.
Kromě toho teorie "pudingu" umožňuje určit optimální distribuci rovných bodových nábojů na jednotku koule, nazvanou Thomsonův problém. Mimochodem, fyzický systém obsažený v Thomsonově problému je zvláštním případem jednoho z osmnácti nevyřešených matematických problémů, které navrhl matematik Steve Smale - "Rozdělení bodů na dvourozměrnou sféru".
Problém Thomson je přirozeným důsledkem modelu "pudinkového pudingu" při absenci jednotného kladného náboje pozadí. Elektrostatická interakce elektronů ohraničených sférickými kvantovými tečkami je také analogická jejich zpracování v atomovém modelu Thomson. V tomto klasickém problému je kvantová tečka modelována jako jednoduchá dielektrická koule (namísto homogenní kladně nabité koule, podobně jako u modelu "pudinkového pudingu"), ve kterém jsou volné nebo přebytečné elektrony.