Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сливовая пудинговая модель атома
Текущая модель субатомной структуры включает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электронов.

Модель пудинга сливы является одним из нескольких исторических научных моделей в атоме . Впервые предложенная Дж. Дж. Томсоном в 1904 г. [1] вскоре после открытия электрона , но до открытия атомного ядра , модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: электроны являются отрицательно заряженными частицами и что атомы не имеют чистый электрический заряд. В модели сливового пудинга электроны окружены объемом положительного заряда, как отрицательно заряженные «сливы», заключенные в положительно заряженный « пудинг ».

Обзор [ править ]

В этой модели было известно, что атомы состоят из отрицательно заряженных субатомных частиц. Хотя Томсон называл их « корпускулами », их чаще называли «электронами», которые Г. Дж. Стони предложил в качестве «фундаментальной единицы количества электричества» в 1891 году. [2] В то время было известно, что атомы не имеют чистого электрического заряда. Томсон знал, что атомы должны иметь источник положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов. [3] [4] Томсон опубликовал предложенную им модель в мартовском выпуске журнала Philosophical Magazine , ведущего британского научного журнала того времени за 1904 год . По мнению Томсона:

... атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул, заключенных в сферу однородной положительной электризации, ... [5]

Используя эту модель, Томсон отказался от своей гипотезы о «туманном атоме» 1890 года, основанной на вихревой атомной теории, в которой атомы состоят из нематериальных вихрей, и предположил, что существует сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов. [6] : 44–45 Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основал свою атомную модель на известных экспериментальных данных того времени. Его предложение о положительном объемном заряде отражает природу его научного подхода к открытию, который должен был предложить идеи для руководства будущими экспериментами.

В этой модели орбиты электронов были стабильными, потому что, когда электрон удалялся от центра положительно заряженной сферы, он подвергался воздействию большей суммарной положительной внутренней силы, потому что внутри его орбиты было больше положительного заряда (см . Закон Гаусса ). Электроны могли свободно вращаться в кольцах, которые дополнительно стабилизировались за счет взаимодействия между электронами, а спектроскопические измерения предназначались для учета разницы в энергии, связанной с разными электронными кольцами. Томсон безуспешно пытался изменить свою модель, чтобы учесть некоторые из основных спектральных линий, экспериментально известных для нескольких элементов. [ необходима цитата ]

Модель сливового пудинга послужила полезным руководством для его ученика Эрнеста Резерфорда при разработке экспериментов для дальнейшего изучения состава атомов. Кроме того , модель Томсона (наряду с аналогичной кольцевой модели сатурнианском для атомных электронов выдвинул в 1904 году Нагаока после Джеймса Клерка Максвелла «s модели колец Сатурна ) были полезными предшественниками более правильной солнечной системы как Бора модель атома.

Разговорное прозвище «сливовый пудинг» вскоре было приписано модели Томсона, поскольку распределение электронов в положительно заряженной области пространства напомнило многим ученым изюм , тогда называемый «сливами», в распространенном английском десерте, сливовом пудинге .

В 1909 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден провели эксперименты с тонкими листами золота . Их профессор Эрнест Резерфорд ожидал найти результаты, согласующиеся с атомной моделью Томсона. Только в 1911 году Резерфорд правильно интерпретировал результаты эксперимента [7] [8], которые предполагали наличие очень маленького ядра с положительным зарядом в центре атомов золота. Это привело к развитию модели атома Резерфорда . Сразу после того, как Резерфорд опубликовал свои результаты, Антониус Ван ден Брук сделал интуитивное предположение, что атомный номер атома - это общее количество единиц заряда, присутствующих в его ядре. Генри МозлиЭксперименты 1913 года (см . закон Мозли ) предоставили необходимые доказательства в поддержку предложения Ван ден Брука. Было обнаружено, что эффективный заряд ядра соответствует атомному номеру (Мозли нашел только одну единицу разности зарядов). Эта работа в том же году завершилась созданием модели атома, подобной солнечной системе (но с квантовым ограничением), в которой ядро, содержащее атомный номер положительных зарядов, окружено равным числом электронов в орбитальных оболочках. Как модель Томсона направляла эксперименты Резерфорда, модель Бора направляла исследования Мозли.

Связанные научные проблемы [ править ]

Модель сливового пудинга с одним электроном была частично использована физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и радиуса Бора атомов водорода. Работа Хааса оценила эти значения с точностью до порядка величины и опередила работу Нильса Бора на три года. Следует отметить, что сама модель Бора дает разумные предсказания только для атомных и ионных систем с одним эффективным электроном.

Особенно полезная математическая проблема, 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 в отсутствие его однородного положительного фонового заряда. [9]

Классическая электростатическая обработка электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками , также похожа на их обработку в модели сливового пудинга. [10] [11] В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простой диэлектрик.сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели сливового пудинга), в которой находятся свободные или избыточные электроны. Электростатические N-электронные конфигурации оказались исключительно близкими к решениям, найденным в задаче Томсона с электронами, находящимися на том же радиусе внутри диэлектрической сферы. Примечательно, что график распределения зависящей от геометрии энергии, как было показано, имеет поразительное сходство с распределением ожидаемых электронных орбиталей в естественных атомах, как это расположено в периодической таблице элементов. [11]Большой интерес представляет то, что решения задачи Томсона демонстрируют это соответствующее распределение энергии, сравнивая энергию каждого N-электронного решения с энергией его соседнего (N-1) -электронного решения с одним зарядом в начале координат. Однако, если рассматривать в рамках модели диэлектрической сферы, особенности распределения становятся гораздо более выраженными и обеспечивают большую точность [ требуется уточнение ] в отношении расположения электронных орбит в реальных атомах. [12]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Модель сливового пудинга" . Вселенная сегодня . 27 августа 2009 . Проверено 19 декабря 2015 .
  2. ↑ О'Хара, JG (март 1975 г.). «Джордж Джонстон Стоуни, ФРС и концепция электрона». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества . Королевское общество. 29 (2): 265–276. DOI : 10,1098 / rsnr.1975.0018 . JSTOR 531468 . 
  3. ^ «Открытие электрона и ядра (статья)» . Ханская академия . Ханская академия . Проверено 9 февраля 2021 года .
  4. ^ «4.3: Ядерный атом» . Химия LibreTexts . 4 апреля 2016 . Проверено 9 февраля 2021 года .
  5. Перейти ↑ Thomson, JJ (март 1904 г.). «О структуре атома: исследование устойчивости и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных на равных интервалах вокруг окружности; с применением результатов к теории атомной структуры» (PDF) . Философский журнал . Шестое. 7 (39): 237–265. DOI : 10.1080 / 14786440409463107 .
  6. ^ Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики в двадцатом веке (переиздание). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691095523.
  7. ^ Анджело, Джозеф А. (2004). Ядерная технология . Издательство "Гринвуд" . п. 110. ISBN 978-1-57356-336-9.
  8. Перейти ↑ Salpeter, Edwin E. (1996). Лахтакия, Ахлеш (ред.). Модели и моделисты водорода . Американский журнал физики . 65 . World Scientific. С. 933–934. Bibcode : 1997AmJPh..65..933L . DOI : 10.1119 / 1.18691 . ISBN 978-981-02-2302-1.
  9. ^ Левин, Ю .; Арензон, Дж. Дж. (2003). «Почему заряды попадают на поверхность: обобщенная проблема Томсона». Europhys. Lett . 63 (3): 415–418. arXiv : cond-mat / 0302524 . Bibcode : 2003EL ..... 63..415L . DOI : 10,1209 / EPL / i2003-00546-1 .
  10. ^ Беднарек, S .; Szafran, B .; Адамовски, Дж. (1999). «Многоэлектронные искусственные атомы». Phys. Rev. B . 59 (20): 13036–13042. Bibcode : 1999PhRvB..5913036B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.59.13036 .
  11. ^ а б Лафэйв, Т., младший (2013). «Соответствие классической электростатической задачи Томсона и электронной структуры атома». J. Электростатика . 71 (6): 1029–1035. arXiv : 1403,2591 . DOI : 10.1016 / j.elstat.2013.10.001 .
  12. ^ LaFave, Т., младший (2014). «Дискретные преобразования в проблеме Томсона». J. Электростатика . 72 (1): 39–43. arXiv : 1403,2592 . DOI : 10.1016 / j.elstat.2013.11.007 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Модель сливового пудинга Томсона (проблема Томсона)