MODELUL ATOMIC AL LUI THOMSON: CARACTERISTICI, POSTULATE, PARTICULE SUBATOMICE - FIZIC - 2025

Modelul atomic al lui Thomson a fost creat de celebrul fizician englez JJ Thomson, care a descoperit electronul. Pentru această descoperire și munca sa în domeniul conducerii electrice în gaze, a fost distins cu premiul Nobel pentru fizică din 1906.

Din lucrarea sa cu razele catodice, a devenit clar că atomul nu era o entitate indivizibilă, așa cum Dalton o postulase în modelul precedent, ci conținea o structură internă bine definită.

Thomson a realizat un model al atomului pe baza rezultatelor experimentelor sale cu raze catodice. În el, el a declarat că atomul neutru din punct de vedere electric era format din sarcini pozitive și negative de o magnitudine egală.

Cum se numea modelul atomic al lui Thomson și de ce?

Potrivit lui Thomson, sarcina pozitivă a fost distribuită în întregul atom și încărcările negative au fost încorporate în el, ca și cum ar fi stafide într-o budincă. Din această comparație a venit termenul „budincă de stafide”, deoarece modelul era cunoscut în mod informal.

Joseph John Thomson

Deși ideea lui Thomson arată astăzi destul de primitivă, atunci a reprezentat o contribuție inedită. În perioada scurtă de viață a modelului (din 1904 până în 1910), a avut sprijinul multor oameni de știință, deși mulți alții au considerat-o erezie.

În sfârșit, în 1910, au apărut noi dovezi despre structura atomică, iar modelul lui Thomson a căzut repede în lateral. Acest lucru s-a întâmplat imediat ce Rutherford a publicat rezultatele experimentelor sale de împrăștiere, care au relevat existența nucleului atomic.

Cu toate acestea, modelul lui Thomson a fost primul care a postulat existența particulelor subatomice, iar rezultatele sale au fost rodul unei experimentări fine și riguroase. În acest fel, el a stabilit precedentul pentru toate descoperirile care au urmat.

Caracteristicile și postulatele modelului Thomson

Thomson a ajuns la modelul său atomic bazat pe mai multe observații. Prima a fost că razele X recent descoperite de Roentgen erau capabile să ionizeze moleculele de aer. Până atunci, singura modalitate de ionizare a fost prin separarea chimică a ionilor în soluție.

Dar fizicianul englez a reușit să ionizeze cu succes chiar și gaze monatomice precum heliu, cu ajutorul razelor X. Acest lucru l-a determinat să creadă că sarcina din interiorul atomului poate fi separată și, prin urmare, nu era indivizibilă. El a observat, de asemenea, că razele catodice ele puteau fi deviate de câmpuri electrice și magnetice.

JJ Thomson, descoperitorul electronului. Sursa: Lifeder.

Deci Thomson a conceput un model care a explicat corect faptul că atomul este neutru din punct de vedere electric și că razele catodice sunt compuse din particule încărcate negativ.

Folosind dovezi experimentale, Thomson a caracterizat atomul astfel:

-Atomul este o sferă solidă neutră din punct de vedere electric, cu o rază aproximativă de ^10-10 m.

-Carga pozitivă este distribuită mai mult sau mai puțin uniform în toată sfera.

-Atomul conține "corpusculi" încărcați negativ, care îi asigură neutralitatea.

-Aceste corpusculi sunt aceiași pentru toată materia.

-Când atomul este în echilibru, există n corpuscule dispuse în mod regulat în inele în sfera de încărcare pozitivă.

-Masa atomului este distribuită uniform.

Raze catodice

Fasele de electroni sunt direcționate de la catod către anod.

Thomson și-a desfășurat experimentele folosind raze catodice, descoperite în 1859. Razele catodice sunt mănunchiuri de particule încărcate negativ. Pentru producerea lor, se folosesc tuburi de sticlă vidate, în care se pun doi electrozi, numiți catod și anod.

Se trece apoi un curent electric care încălzește catodul, care în acest fel emite radiații invizibile care sunt direcționate direct către electrodul opus.

Pentru a detecta radiațiile, care nu sunt altceva decât razele catodice, peretele tubului din spatele anodului este acoperit cu un material fluorescent. Când radiația ajunge acolo, peretele tubului emite o luminozitate intensă.

Dacă un obiect solid ajunge în calea razelor catodice, acesta aruncă o umbră pe peretele tubului. Acest lucru indică faptul că razele circulă în linie dreaptă și, de asemenea, că pot fi ușor blocate.

Natura razelor catodice a fost discutată pe larg, deoarece natura lor nu era cunoscută. Unii au crezut că sunt unde de tip electromagnetic, în timp ce alții au susținut că sunt particule.

Particule subatomice din modelul atomic al lui Thomson

Modelul atomic al lui Thomson este, așa cum am spus, primul care a postulat existența particulelor subatomice. Corpusculele lui Thomson nu sunt altceva decât electroni, particulele fundamentale încărcate negativ ale atomului.

Știm acum că celelalte două particule fundamentale sunt protonul încărcat pozitiv și neutronul neîncărcat.

Dar acestea nu au fost descoperite în momentul în care Thomson și-a dezvoltat modelul. Încărcarea pozitivă din atom a fost distribuită în ea, nu a considerat nicio particulă care să poarte această sarcină și, în acest moment, nu exista nicio dovadă a existenței sale.

Din acest motiv, modelul său a avut o existență trecătoare, deoarece în decursul câtorva ani, experimentele de împrăștiere ale lui Rutherford au deschis calea pentru descoperirea protonului. În ceea ce privește neutronul, Rutherford însuși și-a propus existența cu câțiva ani înainte de a fi descoperit în cele din urmă.

Tubul Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) a proiectat tubul care îi poartă numele în jurul anului 1870, cu intenția de a studia cu atenție natura razelor catodice. El a adăugat câmpuri electrice și câmpuri magnetice și a observat că razele erau deviate de ele.

Schema tuburilor cu raze catodice. Sursa: Knight, R.

În acest fel, Crookes și alți cercetători, inclusiv Thomson, au constatat că:

1. A fost generat un curent electric în interiorul tubului cu raze catodice
2. Razele au fost deviate de prezența câmpurilor magnetice, în același mod în care au fost particule încărcate negativ.
3. Orice metal folosit pentru fabricarea catodului era la fel de bun la producerea de raze catodice, iar comportamentul lor era independent de material.

Aceste observații au alimentat discuția despre originea razelor catodice. Cei care au susținut că sunt valuri, s-au bazat pe faptul că razele catodice ar putea călători în linie dreaptă. Mai mult, această ipoteză a explicat foarte bine umbra aruncată de un obiect solid interpus pe peretele tubului și în anumite circumstanțe, se știa că undele pot provoca fluorescență.

În schimb, nu s-a înțeles cum era posibil ca câmpurile magnetice să devieze razele catodice. Acest lucru nu ar putea fi explicat decât dacă aceste raze ar fi considerate particule, ipoteză pe care Thomson le-a împărtășit.

Particule încărcate în câmpuri electrice și magnetice uniforme

O particulă încărcată cu sarcină q, experimentează o forță Fe în mijlocul unui câmp electric E uniform, cu magnitudine:

Fe = qE

Atunci când o particulă încărcată trece perpendicular printr-un câmp electric uniform, cum ar fi cel produs între două plăci cu sarcini opuse, aceasta are o deviere și, prin urmare, o accelerație:

qE = ma

a = qE / m

Pe de altă parte, dacă particulele încărcate se mișcă cu o viteză a mărimii v, în mijlocul unui câmp magnetic uniform de magnitudine B, forța magnetică Fm pe care o experimentează are următoarea intensitate:

Fm = qvB

Atâta timp cât vectorii de viteză și câmp magnetic sunt perpendiculari. Când o particulă încărcată este perpendiculară pe un câmp magnetic omogen, suferă, de asemenea, o deviere, iar mișcarea sa este circulară uniformă.

Accelerația centripetă a _c în acest caz este:

qvB = ma _c

La rândul său, accelerația centripetă este legată de viteza particulei v și raza R a căii circulare:

a _c = v ² / R

Prin urmare:

qvB = mv ² / R

Raza căii circulare poate fi calculată după cum urmează:

R = mv / qB

Mai târziu, aceste ecuații vor fi folosite pentru a recrea modul în care Thomson a derivat relația sarcină-masă a electronului.

Experimentul lui Thomson

Thomson trecea printr-un fascicul de raze catodice, un fascicul de electroni, deși încă nu îl știa, prin câmpuri electrice uniforme. Aceste câmpuri sunt create între două plăci conductoare încărcate, separate la o distanță mică.

De asemenea, a trecut razele catodice printr-un câmp magnetic uniform, observând efectul pe care acesta l-a avut asupra fasciculului. Într-un câmp, precum și în celălalt, a existat o deviere a razelor, ceea ce l-a determinat pe Thomson să creadă, corect, că fasciculul era compus din particule încărcate.

Pentru a verifica acest lucru, Thomson a realizat mai multe strategii cu raze catodice:

1. A variat câmpurile electrice și magnetice până când forțele au fost anulate. În acest fel, razele catodice au trecut fără a experimenta deviații. Prin echivalarea forțelor electrice și magnetice, Thomson a fost capabil să determine viteza particulelor din fascicul.
2. A anulat intensitatea câmpului electric, în acest fel particulele au urmat o cale circulară în mijlocul câmpului magnetic.
3. El a combinat rezultatele etapelor 1 și 2 pentru a determina relația încărcare-masă a „corpusculilor”.

Raportul sarcină-masă al electronului

Thomson a stabilit că raportul sarcină-masă al particulelor care alcătuiesc fasciculul de raze catodice are următoarea valoare:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg-1.

În cazul în care q reprezintă sarcina "corpuscle", care este de fapt electronul, iar m este masa sa. Thomson a urmat procedura descrisă în secțiunea precedentă, pe care o recreăm aici pas cu pas, cu ecuațiile pe care le-a folosit.

Când razele catodice trec prin câmpurile electrice și magnetice încrucișate, acestea trec fără deflectură. Când câmpul electric este anulat, acestea lovesc partea superioară a tubului (câmpul magnetic este indicat de punctele albastre dintre electrozi). Sursa: Knight, R.

Pasul 1

Egalizați forța electrică și forța magnetică, trecând fasciculul prin câmpurile electrice și magnetice perpendiculare:

qvB = qE

Pasul 2

Determinați viteza dobândită de particulele din fascicul atunci când trec direct fără deflexiune:

v = E / B

Pasul 3

Anulați câmpul electric, lăsând doar câmpul magnetic (acum există o deviere):

R = mv / qB

Cu v = E / B rezultă:

R = mE / qB ²

Raza orbitei poate fi măsurată, prin urmare:

q / m = v / RB

O bine:

q / m = E / RB ²

Pasii urmatori

Următorul lucru pe care Thomson l-a făcut a fost măsurarea raportului q / m folosind catode realizate din materiale diferite. Așa cum am menționat anterior, toate metalele emit raze catodice cu caracteristici identice.

Apoi, Thomson a comparat valorile lor cu cele ale raportului q / m al ionului de hidrogen, obținut prin electroliză și a cărui valoare este de aproximativ 1 x 10 ⁸ C / kg. Raportul sarcină-masă al electronului este de aproximativ 1750 ori mai mare decât cel al ionului de hidrogen.

Prin urmare, razele catodice au o sarcină mult mai mare, sau poate o masă mult mai mică decât cea a ionului de hidrogen. Ionul de hidrogen este pur și simplu un proton, a cărui existență a devenit cunoscută mult după experimentele de împrăștiere a lui Rutherford.

Astăzi se știe că protonul este de aproape 1800 de ori mai masiv decât electronul și cu o sarcină de mărime egală și semn opus cu cea a electronului.

Un alt detaliu important este că, cu experimentele lui Thomson, sarcina electrică a electronului nu a fost determinată direct, nici valoarea masei sale separat. Aceste valori au fost determinate de experimentele Millikan, care au început în 1906.

Diferențe de model Thomson și Dalton

Diferența fundamentală a acestor două modele este că Dalton a crezut că atomul este o sferă. Spre deosebire de Thomson, el nu a propus existența unor taxe pozitive sau negative. Pentru Dalton, un atom arăta astfel:

Atom Dalton

După cum am văzut anterior, Thomson a crezut că atomul era divizibil și a cărui structură este formată dintr-o sferă pozitivă și electroni în jurul său.

Defecțiuni și limitări ale modelului

La vremea respectivă, modelul atomic al lui Thomson a reușit să explice foarte bine comportamentul chimic al substanțelor. El a explicat cu precizie și fenomenele care au avut loc în tubul cu raze catodice.

Dar, de fapt, Thomson nici nu a numit particulele sale „electroni”, deși termenul fusese deja inventat anterior de George Johnstone Stoney. Thomson le-a numit pur și simplu „corpuscule”.

Deși Thomson a folosit toate cunoștințele de care dispunea la acea vreme, există câteva limitări importante în modelul său, care a devenit evident încă de la început:

- Sarcina pozitivă nu este distribuită în întregul atom . Experimentele de împrăștiere de la Rutherford au arătat că sarcina pozitivă a atomului se limitează neapărat la o mică regiune a atomului, care ulterior a devenit cunoscută drept nucleu atomic.

- Electronii au o distribuție specifică în interiorul fiecărui atom . Electronii nu sunt uniform distribuiți, ca stafidele în faimoasa budincă, ci au în schimb un aranjament în orbitale, care au dezvăluit mai târziu modele.

Tocmai dispunerea electronilor în interiorul atomului permite organizarea elementelor după caracteristicile și proprietățile acestora din tabelul periodic. Aceasta a fost o limitare importantă a modelului Thomson, care nu putea explica modul în care a fost posibil să se ordone elemente în acest fel.

- Nucleul atomic este cel care conține cea mai mare parte a masei. Modelul lui Thomson a postulat că masa atomului a fost uniform distribuită în el. Dar astăzi știm că masa atomului este practic concentrată în protonii și neutronii nucleului.

De asemenea, este important de menționat că acest model al atomului nu a permis deducerea tipului de mișcare pe care electronii au avut-o în interiorul atomului.

Articole de interes

Modelul atomic al lui Schrödinger.

Model atomic De Broglie.

Modelul atomic al lui Chadwick.

Model atomic Heisenberg.

Modelul atomic al lui Perrin.

Modelul atomic al lui Dalton.

Model atomic Dirac Jordan.

Modelul atomic al lui Democrit.

Modelul atomic al lui Bohr.

Model atomic Sommerfeld.

Referințe

1. Andriessen, M. 2001. Curs HSC. Fizica 2. Știința Jacaranda HSC.
2. Arfken, G. 1984. Universitatea de fizică. Presă academică.
3. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson.
5. Wikipedia. Modelul atomic al lui Thomson. Recuperat de la: es.wikipedia.org.