Модель сливового пудинга
Модель сливового пудинга устаревшая научная модель атома — . Впервые он был предложен Дж. Дж. Томсоном в 1904 году. [1] после открытия им электрона в 1897 году и впоследствии устаревшей из-за Эрнестом Резерфордом открытия атомного ядра в 1911 году. Это была первая модель, описывающая внутреннюю структуру атома. Модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: наличие электронов и отсутствие у атомов суммарного электрического заряда. По логике вещей, должно было существовать соразмерное количество положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов, но, не имея понятия об источнике этого положительного заряда, Томсон предварительно предположил, что он находится повсюду в атоме, причем атом имеет форму сферы ради математической простоты. Исходя из этого, Томсон представлял, что баланс электростатических сил в атоме будет более или менее равномерно распределять электроны по этой гипотетической сфере. [2]
Томсон не смог разработать полную модель, которая могла бы предсказать любые другие известные свойства атома, такие как спектры излучения или валентности . В современных учебниках модель сливового пудинга упоминается лишь вкратце, чтобы объяснить, как было открыто атомное ядро.
Модель Томсона обычно называют «моделью сливового пудинга», поскольку электроны распределены с такой же плотностью, как и изюм в сливовом пудинге . Ни Томсон, ни его коллеги никогда не использовали эту аналогию. [3] Судя по всему, научно-популярные писатели задумали сделать модель доступной для непрофессионалов. Эта аналогия, возможно, вводит в заблуждение, поскольку Томсон сравнил сферу с жидкостью, а не с твердым телом, поскольку считал, что в ней движутся электроны. [4]
Предыстория [ править ]
На протяжении XIX века накапливались данные химии и статистической механики о том, что материя состоит из атомов. Обсуждалась структура атома, и к концу века ведущая модель [5] : 175 — вихревая теория атома , предложенная Уильямом Томсоном (впоследствии лордом Кельвином) в 1867 году. [6] К 1890 году Дж. Дж. Томсон выдвинул свою собственную версию, названную гипотезой «небулярного атома», в которой атомы состояли из нематериальных вихрей, и предположил, что между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов, существует сходство. [7]
Открытие Томсоном электрона в 1897 году изменило его взгляды. Хотя Томсон называл их «корпускулами» ( частицами ), но чаще их называли «электронами», имя Дж. Дж. Стоуни придумал для « фундаментальной единицы количества электричества » в 1891 году. [8] Однако даже в конце 1899 года мало кто из учёных верил в существование субатомных частиц. [9] : Я:365
Другой новой научной темой 19 века было открытие и изучение радиоактивности . Томсон открыл электрон, изучая катодные лучи , а в 1900 году Анри Беккерель определил, что высокопроникающее излучение урана, теперь называемое бета-частицами , имеет то же соотношение заряда и массы, что и катодные лучи. [9] : II:3 Считалось, что эти бета-частицы представляют собой электроны, движущиеся с очень высокими скоростями. Эти бета-частицы будут использоваться Томсоном для исследования атомов и поиска доказательств его атомной теории. Другой формой излучения, критически важной для этой эпохи атомных моделей, были альфа-частицы . Более тяжелые и медленные, чем бета-частицы, они станут ключевым инструментом, который Резерфорд использует для поиска доказательств против модели Томсона.
Помимо зарождающейся теории атома, электрона и излучения, последним элементом истории были многочисленные исследования атомных спектров , опубликованные в конце XIX века. Частично привлекательность модели вихря заключалась в ее возможной роли в описании спектральных данных как вибрационных реакций на электромагнитное излучение. [5] : 177 Ни модель Томсона, ни ее преемница, модель Резерфорда, не продвинулись в понимании атомных спектров. Это придется подождать, пока Нильс Бор не создаст первую квантовую модель атома.
Развитие [ править ]
С 1897 по 1913 год Томсон предложил серию все более детализированных полиэлектронных моделей атома. [5] : 178 Его первые версии были качественными, кульминацией которых стала его статья 1906 года и последующие резюме. Модель Томсона изменилась в ходе ее первоначальной публикации и, наконец, стала моделью с гораздо большей подвижностью, содержащей электроны, вращающиеся в плотном поле положительного заряда, а не в статической структуре. Томсон безуспешно пытался изменить свою модель, чтобы учесть некоторые из основных спектральных линий, экспериментально известных для нескольких элементов. [10]
1897 [ править ]
В статье под названием «Катодные лучи» Томсон продемонстрировал, что катодные лучи не являются светом, а состоят из отрицательно заряженных частиц, которые он назвал корпускулами . Он заметил, что катодные лучи могут отклоняться электрическими и магнитными полями, чего не происходит со световыми лучами. Томсон считал, что атомы состоят из этих корпускул , называя их первичными атомами . Томсон считал, что интенсивное электрическое поле вокруг катода заставляет молекулы окружающего газа разделяться на составляющие их корпускулы , тем самым генерируя катодные лучи. Таким образом, Томсон продемонстрировал доказательства того, что атомы на самом деле делимы, хотя на тот момент он не пытался описать их структуру.
Томсон отмечает, что он не был первым ученым, предположившим, что атомы на самом деле делятся, ссылаясь на Уильяма Праута , который в 1815 году заметил, что атомный вес различных элементов кратен атомному весу водорода, и выдвинул гипотезу, что все атомы представляют собой атомы водорода, слитые вместе. [11] Гипотеза Праута была отвергнута, когда было обнаружено, что некоторые элементы, по-видимому, имеют нецелый атомный вес, например, хлор имеет атомный вес около 35,45, и такие расхождения не могли быть объяснены до тех пор, пока не были открыты изотопы и структура ядра на ранних этапах развития. 20 век.
1898 [ править ]
В 1898 году Томсон измерил положительный заряд ионов водорода примерно 6 × 10. -10 электростатические блоки (2 × 10 -19 кулоны) и написал, что это равно отрицательному заряду электрона. [12] В 1899 году он показал, что отрицательное электричество, создаваемое ультрафиолетовым светом, падающим на металл (известное теперь как фотоэлектрический эффект ), имеет то же соотношение массы к заряду, что и катодные лучи; затем он применил свой предыдущий метод определения заряда ионов к отрицательным электрическим частицам, созданным ультрафиолетовым светом. [5] : 86 С помощью этой комбинации он подсчитал, что масса электрона в 0,0014 раза больше массы ионов водорода (в виде дроби: 1 ⁄ 714 ). [13]
1904 год [ править ]
Томсон представил свое первое описание атома в своей статье 1904 года « О структуре атома» . Уже много лет было известно, что атомы не имеют суммарного электрического заряда. Томсон считал, что атомы также должны содержать некоторый положительный заряд, который компенсирует отрицательный заряд их электронов. [14] [15] Томсон опубликовал предложенную им модель в мартовском выпуске 1904 года « Философского журнала» , ведущего британского научного журнала того времени. По мнению Томсона:
…атомы элементов состоят из множества отрицательно наэлектризованных частиц, заключенных в сферу равномерной положительной электризации,… [16]
Томсон считал, что вся масса атома переносится электронами. Это означало бы, что даже небольшой атом должен был бы содержать тысячи электронов, а заключенная в них положительная электризация не имела бы массы. [17]
Модель Томсона была первой, которая приписала атому особую внутреннюю структуру, хотя его первоначальное описание не включало математические формулы. [3] [18] Томсон основал свою атомную модель на известных экспериментальных данных того времени и фактически снова последовал примеру лорда Кельвина, поскольку годом ранее Кельвин предложил атом с положительной сферой. [19] [20] Предложение Томсона, основанное на модели положительного объемного заряда Кельвина, послужило руководством для будущих экспериментов.
1905 год [ править ]
В лекции, прочитанной в Королевском институте Великобритании в 1905 году, [21] Томсон заявил, что вычислить расположение множества электронов в сфере с положительным зарядом было для него слишком сложно с вычислительной точки зрения. Однако он описал практический эксперимент, проведенный Альфредом М. Майером в 1878 году, чтобы пролить свет на их природу. [22] Он включал в себя намагниченные штифты, вставленные в пробковые диски и помещенные на плаву в таз с водой. Намагниченные штифты были ориентированы так, что отталкивали друг друга. Над центром бассейна был подвешен электромагнит, который притягивал штифты к центру. Равновесное расположение штифтов проинформировало Томсона о том, какое расположение могут принять электроны в атоме, и он предоставил краткую таблицу.
Например, он заметил, что хотя пять штифтов образуют устойчивый пятиугольник вокруг центра, шесть штифтов не могут образовать устойчивый шестиугольник. Вместо этого один штифт перемещался в центр, а остальные пять образовывали пятиугольник вокруг центрального штифта, и такое расположение было стабильным. Когда он добавлял больше булавок, они образовывали концентрические кольца вокруг центра.
Исходя из этого, Томсон полагал, что электроны располагаются в концентрических оболочках, и электроны могут перемещаться внутри этих оболочек, но не выходят из них, если электроны не добавляются или не вычитаются из атома.
1907 год [ править ]
В 1907 году Томсон опубликовал «Корпускулярную теорию материи» , в которой развил его идеи о структуре атома и предложил дальнейшие направления исследований.
В главе 6 он подробно описывает свой эксперимент с использованием намагниченных булавок в воде, предоставляя расширенную таблицу. Например, если бы в пуле было помещено 59 кеглей, они бы расположились концентрическими кольцами порядка 20-16-13-8-2 (от самого внешнего к самому внутреннему).
В главе 7 Томсон предлагает ряд методов, с помощью которых можно оценить количество электронов в атоме, таких как спектры рентгеновского излучения, поглощение катодных лучей или оптические свойства. Эксперименты других ученых в этой области показали, что атомы содержат гораздо меньше электронов, чем ранее считал Томсон. Томсон теперь считал, что количество электронов в атоме кратно его атомному весу. [23] возможно, от 1 до 3 раз. [24]
Но это означало бы, что большая часть массы атома не переносится его электронами. В этой книге он оценивает, что электрон имеет только 1 ⁄ 1700 массы атома водорода ( правильная цифра — 1 ⁄ 1837 г. ). Томсон пришел к выводу, что остальная масса атома переносится положительной электризацией. [25] Томсон еще не знал, какое вещество представляет собой положительную электрификацию, хотя и отмечал, что ни один ученый еще не нашел положительно заряженной частицы размером меньше иона водорода. [26]
Резерфорда доказательства Новые
Между 1908 и 1913 годами Эрнест Резерфорд , Ганс Гейгер и Эрнест Марсден совместно провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали металлическую фольгу пучком альфа-частиц и измеряли зависимость интенсивности от угла рассеяния частиц. Золото было их предпочтительным материалом, потому что золото очень податливо, и поэтому из него можно сделать особенно тонкую фольгу. Было обнаружено, что золотая фольга может рассеивать альфа-частицы более чем на 90 градусов. Согласно модели Томсона, это было невозможно. Рассеяние должно было быть незначительным. Положительный заряд в модели Томсона слишком размыт, чтобы создать электрическое поле достаточной силы, чтобы вызвать такое рассеяние. Резерфорд пришел к выводу, что положительный заряд атома вместе с большей частью массы атома сосредоточен в крошечном ядре в центре атома. Только такая интенсивная концентрация заряда и массы могла так сильно рассеять пучок альфа-частиц.
научные проблемы Сопутствующие
являющаяся важным примером научной модели Модель сливового пудинга, , послужила мотивацией и руководством для нескольких связанных научных проблем.
Томсона Математическая задача
Особенно полезная математическая задача, связанная с моделью сливового пудинга, — это оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемая проблемой Томсона . Проблема Томсона является естественным следствием модели сливового пудинга при отсутствии его однородного положительного фонового заряда. [27] [28]
Происхождение прозвища [ править ]
Первым известным писателем, сравнившим модель Томсона со сливовым пудингом , британским десертом с цельным изюмом, был анонимный репортер, написавший статью для британского фармацевтического журнала The Chemist and Druggist в августе 1906 года.
В то время как отрицательное электричество концентрируется в очень маленькой частице, положительное электричество распределяется по значительному объему. Таким образом, атом будет состоять из мельчайших пятнышек, отрицательных корпускул, плавающих в сфере положительной электризации, как изюм в экономном сливовом пудинге, причем единицы отрицательного электричества притягиваются к центру и в то же время отталкиваются друг от друга. [29]
Эта аналогия никогда не использовалась Томсоном и его коллегами. Судя по всему, научно-популярные авторы тщеславно стремились облегчить понимание модели непрофессионалу. [3]
Ссылки [ править ]
- ^ «Модель сливового пудинга» . Вселенная сегодня . 27 августа 2009 года . Проверено 19 декабря 2015 г.
- ^ Джей Джей Томсон (1907). Корпускулярная теория материи , с. 103: «При отсутствии точного знания природы того, как положительное электричество возникает в атоме, мы рассмотрим случай, когда положительное электричество распределяется способом, наиболее поддающимся математическим расчетам, т. е. когда оно возникает как сфера однородной плотности, по которой распределены корпускулы».
- ^ Перейти обратно: а б с Гиора Хон; Бернард Р. Гольдштейн (6 сентября 2013 г.). «Атомная модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона: создание научного мифа» . Аннален дер Физик . 525 (8–9): А129–А133. Бибкод : 2013АнП...525А.129Х . дои : 10.1002/andp.201300732 .
- ^ Дж. Дж. Томсон, в письме Оливеру Лоджу от 11 апреля 1904 г., цитируется в Davis & Falconer (1997):
«Что касается положительной электрификации, я имел привычку использовать грубую аналогию с жидкостью с определенной степенью сцепления, достаточной для того, чтобы удержать ее от разлета на куски под действием собственного отталкивания. Однако я всегда старался придерживаться физической концепции положительного электричества на заднем плане, потому что у меня всегда были надежды (еще не реализованные) на то, что я смогу обойтись без положительной электризации как отдельной сущности и заменить ее каким-то свойством корпускул».
- ^ Перейти обратно: а б с д Паис, Авраам (2002). Внутренняя граница: материи и сил в физическом мире (Переиздание). Оксфорд: Clarendon Press [ua] ISBN 978-0-19-851997-3 .
- ^ Томсон, Уильям (1869). «О вихревых атомах» . Труды Королевского общества Эдинбурга . 6 : 94–105. дои : 10.1017/S0370164600045430 .
- ^ Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики двадцатого века (переиздание). Издательство Принстонского университета . стр. 43–45. ISBN 978-0691095523 .
- ^ О'Хара, JG (март 1975 г.). «Джордж Джонстон Стоуни, ФРС, и концепция электрона». Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 29 (2): 265–276. дои : 10.1098/rsnr.1975.0018 . JSTOR 531468 . S2CID 145353314 .
- ^ Перейти обратно: а б Уиттакер, ET (1989). История теорий эфира и электричества . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-26126-3 .
- ^ Модели атома, Майкл Фаулер, Университет Вирджинии https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
- ^ Хельге Краг (октябрь 2010 г.). До Бора: Теории строения атома 1850-1913 гг . RePoSS: Научные публикации по научным исследованиям 10. Орхус: Центр научных исследований Орхусского университета.
- ^ Джей Джей Томсон (1898). «О заряде электричества, переносимом ионами, производимыми рентгеновскими лучами» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 5. 46 (283): 528–545. дои : 10.1080/14786449808621229 .
- ^ Джей Джей Томсон (1899). «О массах ионов в газах при низких давлениях» . Философский журнал . 5. 48 (295): 547–567.
«...величина этого отрицательного заряда составляет около 6 × 10 -10 электростатических единиц и равен положительному заряду, переносимому атомом водорода при электролизе растворов. [...] В газах при низких давлениях эти единицы отрицательного электрического заряда всегда связаны с носителями определенной массы. Эта масса чрезвычайно мала и составляет всего около 1,4 × 10 -3 иона водорода, наименьшей массы, до сих пор признанной способной к отдельному существованию. Таким образом, возникновение отрицательной электризации включает в себя расщепление атома, поскольку из совокупности атомов отделяется нечто, чья масса меньше массы отдельного атома». - ^ «Открытие электрона и ядра (статья)» . Ханская академия . Проверено 9 февраля 2021 г.
- ^ Альвиар-Агнью, Марисса; Агнью, Генри (4 апреля 2016 г.). «4.3: Ядерный атом» . Вводная химия . Либретексты . Проверено 9 февраля 2021 г.
- ^ Томсон, Джей-Джей (март 1904 г.). «О строении атома: исследование стабильности и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности круга; с применением результатов к теории атомного строения» . Философский журнал . Шестая серия. 7 (39): 237–265. дои : 10.1080/14786440409463107 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- ^ Джей Джей Томсон (март 1904 г.). «О строении атома: исследование стабильности и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности круга; с применением результатов к теории атомного строения» . Философский журнал . Шестая серия. 7 (39): 237–265. дои : 10.1080/14786440409463107 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
«Мы предполагаем, что масса атома представляет собой сумму масс содержащихся в нем частиц, так что атомный вес элемента измеряется числом корпускул в его атоме». - ^ Томсон, Джей-Джей (декабрь 1899 г.). «О массах ионов в газах при низких давлениях» . Философский журнал и журнал науки Лондона, Эдинбурга и Дублина . 48 (295): 547–567. дои : 10.1080/14786449908621447 .
- ^ Модели атома, Майкл Фаулер, Университет Вирджинии https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
- ^ Кумар, Манджит, Квантовый Эйнштейн, Бор и Великие дебаты, ISBN 978-0393339888 , 2008 г.
- ^ Джей Джей Томсон (10 марта 1905 г.). Структура атома . Перепечатано в Davis & Falconer (1997).
- ^ Снелдерс, Хэм (1976). «Опыты А. М. Майера с плавающими магнитами и их использование в атомных теориях материи» . Анналы науки . 33 (1): 67–80. дои : 10.1080/00033797600200141 . ISSN 0003-3790 .
- ^ Томсон (1907). Корпускулярная теория материи , с. 27: «число корпускул в атоме любого элемента пропорционально атомному весу элемента — оно кратно, а не велико атомному весу элемента».
- ^ Томсон (1907). Корпускулярная теория материи , стр. 145, 151.
- ^ Джей Джей Томсон (1907). Корпускулярная теория материи , стр. 162: «Поскольку масса корпускулы составляет лишь около одной семнадцатой сотой части массы атома водорода, из этого следует, что если в атоме водорода имеется лишь несколько корпускул, то масса атома, должно быть, в основном обусловлено другой его составляющей — положительным электричеством».
- ^ Томсон (1907). Корпускулярная теория материи , стр. 23, 26.
- ^ Левин Ю.; Арензон, Джей-Джей (2003). «Почему заряды уходят на поверхность: обобщенная проблема Томсона». Еврофиз. Летт . 63 (3): 415–418. arXiv : cond-mat/0302524 . Бибкод : 2003EL.....63..415L . дои : 10.1209/epl/i2003-00546-1 . S2CID 250764497 .
- ^ Рот, Дж. (24 октября 2007 г.). «Описание высокосимметричного многогранника, наблюдаемого в задаче Томсона о зарядах на гиперсфере» . Физический обзор E . 76 (4): 047702. Бибкод : 2007PhRvE..76d7702R . дои : 10.1103/PhysRevE.76.047702 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 17995142 .
Хотя модель Томсона уже давно устарела для квантовой механики, его проблема размещения зарядов на сфере все еще заслуживает внимания.
- ^ "Что такое материя?" . Химик и аптекарь . 69 (8): 329–330. 25 августа 1906 г.
Библиография [ править ]
- Джей Джей Томсон (1897). «Катодные лучи» (PDF) . Философский журнал . 44 (269): 293–316. дои : 10.1080/14786449708621070 .
- Джей Джей Томсон (1899). «О массах ионов в газах при низких давлениях» . Философский журнал . 5. 48 (295): 547–567.
- Джей Джей Томсон (март 1904 г.). «О строении атома: исследование стабильности и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности круга; с применением результатов к теории атомного строения» . Философский журнал . Шестая серия. 7 (39): 237–265. дои : 10.1080/14786440409463107 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- Джей Джей Томсон (1907). Корпускулярная теория материи . Сыновья Чарльза Скрибнера.
- Э.А. Дэвис; Эй Джей Фалконер (1997). Дж. Дж. Томсон и открытие электрона . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-203-79233-5 .
