Модель атома томсона — в помощь студенту

Модель атома Томсона – одна из ранних моделей строения атома, впоследствии признанная несостоятельной. Впервые предложена Д.Д. Томсоном в 1904 году вскоре после открытия электронов, но до открытия атомного ядра.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Предыстория

В 1897 году в физике произошло знаменательное событие: Томпсон Джозеф Джон открыл электроны, тем самым экспериментально подтвердив предположение, что атом не является «монолитной» частицей.

Однако точного представления, что же из себя представляют элементарные частицы, не было.

Лишь в 1911 году будет представлена более точная модель атома Резерфорда, а до этого научный мир лихорадочно бился над «загадкой столетия».

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Поиск ответа

После серии экспериментов выяснилось, что электроны отрицательно заряжены, а между тем уже было известно, что атомы имеют нейтральный заряд. Томсон разумно предположил, что в атоме должен быть некий источник положительного заряда для компенсации отрицательного заряда электронов.

Английский физик представил три возможных механизма взаимодействия внутри частиц.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Многоугольник, выпуклый многоугольник, четырехугольник - в помощь студенту

Оценим за полчаса!
  1. В первой модели атома Томсона каждый отрицательно заряженный электрон прилипал к положительно заряженной частице, которая следовала за ним всюду внутри атома.
  2. Во второй модели электроны вращаются вокруг центральной области положительного заряда, имеющего такую ​​же величину, что и все электроны.
  3. В третьей модели электроны занимали область пространства, которая сама была однородным положительным зарядом (часто рассматриваемым как «суп» или «облако» положительного заряда).

Ученый выбрал третий вариант — наиболее вероятную структуру атомов.

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Внимание общественности

Модель атома Томсона в 1904 году была опубликована в мартовском выпуске Philosophical Magazine – авторитетном научном журнале Британии.

По мнению автора, атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул (электронов), заключенных в сферу равномерной положительной электризации.

Томсон отказался от более ранней своей гипотезы «туманного атома», в которой частицы состояли из нематериальных вихрей.

Публикация вызвала неподдельный интерес у научного сообщества. Однако прочных доказательств она не имела, а, следовательно, критиковалась многими авторитетными физиками. Впрочем, она соответствовала тем представлениям и экспериментальным данным, которые были известны на то время.

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Описание модели

Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основывал свою атомную модель на известных экспериментальных данных. Предложение о положительном объеме заряда отражает характер его научного подхода к открытию, которое стало руководством к действию для будущих экспериментов.

Согласно теории, орбиты электронов внутри атомной модели Томсона были стабилизированы тем, что, когда электрон удалялся от центра положительно заряженной сферы (облака), он подвергался воздействию увеличивающейся силы притяжения.

Эта сила возвращает электрон обратно, поскольку по закону Гаусса, внутри сферы более высокая концентрация положительного заряда.

Согласно модели, электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые были дополнительно стабилизированы взаимодействием между электронами, а спектроскопические значения объясняли энергетические различия между отдельными кольцевыми орбитами.

Согласно представлению того времени, электроны располагались в положительно заряженной сфере словно изюминки в пироге, или кусочки фруктов в любимом англичанами десерте – сливовом пудинге. Поэтому концепцию еще называют «пудинговой» моделью атома.

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Дилемма несоответствия

По мере накопления экспериментальных данных все отчетливее наблюдалось несоответствие данной теории. Томсон безуспешно пытался переделать свою модель, чтобы объяснить некоторые из основных спектральных линий, экспериментально выявленных для нескольких элементов.

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под кураторством профессора Эрнеста Резерфорда провели эксперименты с тонким листом золота, рассеивая альфа-частицы на золотой фольге. Данные оказались отличными от ожидаемых.

В 1911 году Резерфорд после долгих размышлений опубликовал собственную концепцию, названную впоследствии моделью атома Резерфорда.

Он предположил наличие очень маленького ядра с сильнейшим положительным зарядом в центре атомов золота, достаточного для удержания порядка ста электронов.

Дальнейшее развитие

Сразу после того, как Резерфорд опубликовал свои результаты, Антониус Ван ден Брук интуитивно предположил, что атомный номер элемента представляет собой общее количество единиц заряда, присутствующих в его ядре. Генри Мозли в 1913 году предоставил необходимые данные для доказательства предложения Ван ден Брука. Было обнаружено, что эффективный ядерный заряд соответствует атомному номеру.

Данная работа послужила базисом для создания Нильсом Бором полуклассической модели атомов в 1913 году. Она напоминает взаимодействие светила и планет в Солнечной системе, но только с квантовыми ограничениями.

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Значение для науки

Модель атома Томсона послужила толчком для стремительного развития ядерной физики.

Концепция «сливового пудинга» с одним электроном использовалась физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и боровского радиуса атомов водорода.

Работа Хааса была опубликована за три года до выводов Нильса Бора. Следует отметить, что боровская модель обеспечивает достаточно точные прогнозы для атомных и ионных систем, имеющих один эффективный электрон.

Кроме того, теория «пудинга» позволяет определить оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемой проблемой Томсона. Кстати, физическая система, воплощенная в проблеме Томсона, является частным случаем одной из восемнадцати нерешенных математических задач, предложенных математиком Стивом Смейлом – «Распределение точек на двумерной сфере».

Проблема Томсона является естественным следствием модели «пучкового пудинга» в отсутствие равномерного положительного фонового заряда.

Электростатическое взаимодействие электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, также аналогично их обработке в атомной модели Томсона.

В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрическая сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели «пучкового пудинга»), в которой находятся свободные или избыточные электроны.

Источник: https://www.syl.ru/article/345062/model-atoma-tomsona-opisanie-i-oproverjenie

6.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома



Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII веке трудами А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал, и атомы по-прежнему считались неделимыми частицами.

В XIX веке изучение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед. В 1833 году при исследовании явления электролиза М. Фарадей установил, что ток в растворе электролита это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом.

Его приближенное значение оказалось равным e = 1,60·10–19 Кл.

На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г. И. Бальмером были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.

В 1896 году А. Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными (М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.).

Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи).

Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.

В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение e / m заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

Таким образом, на основании всех известных к началу XX века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы вещества имеют сложное внутреннее строение.

Они представляют собой электронейтральные системы, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов.

Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.

Перед наукой встал вопрос о внутреннем строении атомов.

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м.

Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом.

Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Модель атома Томсона - в помощь студенту
Рисунок 6.1.1.Модель атома Дж. Томсона

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов.

Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия.

Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы.

Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.

Модель атома Томсона - в помощь студенту
Рисунок 6.1.2.Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа.

Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°.

Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находилbcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад.

Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз.

Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.

3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Модель атома Томсона - в помощь студенту
Рисунок 6.1.3.Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы.

Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов.

Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.

Читайте также:  Возникновение земельных правоотношений - в помощь студенту

4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Модель атома Томсона - в помощь студенту
Рисунок 6.1.4.Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость.

По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро.

То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

 

Лучшие школы, лагеря, ВУЗы за рубежом

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph1/theory.html

Открытие электрона. Модель Томсона — урок. Физика, 9 класс

Электрон

Долгое время атом считался наименьшей неделимой частицей вещества. Такое представление об атоме было разрушено в (1897) году. Этот год считается датой открытия элементарной частицы — электрона.

В конце (XIX) века английский физик Джозеф Джон Томсон занимался изучением  «катодных лучей».

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Джозеф Джон Томсон

Этот вид излучения наблюдался при пропускании электрического тока через разреженные газы. Схема установки, которую использовал Томсон,  представлена на рисунке ниже.

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Ток между анодом ((1)) и катодом ((2)) проходит через колбу, заполненную разреженным газом. Через узкую щель ((3)) «катодный луч» попадает в электрическое поле ((4)) и отклоняется. По шкале ((5)) можно определить угол отклонения луча от начального направления.

Отклонение луча означает, что луч — это поток отрицательно заряженных частиц, которые получили название «электроны».

По углу отклонения луча от первоначального направления Томсону удалось измерить удельный заряд электрона (q/m),  который оказался приблизительно в (2000) раз больше, чем у иона водорода, удельный заряд которого уже был известен к тому времени. А это означало, что при том же заряде масса электрона примерно в (2000) раз меньше, чем масса иона водорода.

Заряд электрона равен элементарному электрическому заряду:

e=−1,6⋅10−19 Кл.

Масса электрона:

me=9,1⋅10−31 кг.

В (1906) году за открытие электрона Томсон стал лауреатом Нобелевской премии.

Так как колба с газом была герметично запаяна, то электронам было неоткуда взяться, кроме как из атомов газа, через который проходил электрический ток. А значит, атом не мог быть неделимой частицей! Перед учёными стал вопрос о том, как же всё-таки устроен атом.

Обрати внимание!

Открытие электрона доказывало, что атом не является неделимой частицей.

Сам Томсон предположил, что атом представляет собой  равномерно распределённый по всему объёму атома положительный заряд.

Внутри такого положительно заряженного «облака» содержатся маленькие отрицательно заряженные электроны, которые расположены случайным образом, как изюм в тесте пудинга.

Суммарный заряд электронов по модулю равен заряду «облака», поэтому атом в целом нейтрален. Такая модель строения атома получила название «пудинговая  модель  атома».

Позднее Эрнест Резерфорд опроверг предположения о подобном строении атома. Его опыты по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге позволили построить более точную модель строения атома.

Источник: https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/stroenie-atoma-i-atomnogo-iadra-344899/radioaktivnost-kak-dokazatelstvo-slozhnogo-stroeniia-atoma-opyty-rezerfo_-344900/re-74cc71ea-8dd8-4c23-a609-3d8ff6163bd9

Строение атома

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: планетарная модель атома

Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, присущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом.

Модель Томсона

Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоенный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом».

Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1).

Модель атома Томсона - в помощь студенту

Рис. 1. Модель атома Томсона

Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны).

Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона.

Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.

Опыты Резерфорда

Верна ли модель Томсона? Как в действительности распределены положительные и отрицательные заряды внутри атома? Чтобы ответить на эти вопросы, нужен был эксперимент, позволяющий проникнуть внутрь атома.

Ученик Томсона, знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд предложил с этой целью бомбардировать атом высокоэнергетичными ?-частицами и смотреть, как они будут отклоняться положительным зарядом атома.
Что такое -частицы? Потоки этих частиц — так называемые «альфа-лучи» — были обнаружены при радиоактивном распаде некоторых элементов (например, радия). В результате тщательных исследований, проведённых опять-таки Резерфордом, было установлено, что каждая -частица имеет положительный заряд, равный по модулю удвоенному заряду электрона, и массу, превышающую массу электрона примерно в раз. То есть, -частица оказалась полностью ионизованным (лишённым электронов) атомом гелия.

Резерфорд говорил об -частицах как об ионах гелия; сейчас мы знаем, что это ядра гелия.

Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов!

Энергия -частиц очень велика — достаточно сказать, что скорость их вылета из радиоактивного образца составляет примерно скорости света. Поэтому интересно было выяснить, на какие углы будут отклоняться столь мощные «снаряды» при рассеянии на отдельных атомах, а точнее — на их положительных зарядах.

Пучок -частиц направлялся на тончайшую золотую фольгу. Как гласит история, Резерфорд не сомневался в том, что углы отклонения должны быть весьма малы: имея столь огромную энергию, -частицы должны проходить сквозь фольгу как нож сквозь масло. Только «для очистки совести», на всякий случай, он попросил учеников посмотреть, не возникает ли рассеяния -частиц на большие углы.

Каково же было всеобщее удивление, когда такие частицы обнаружились! Да, как и следовало ожидать, подавляющая доля -частиц отклонялась несущественно. Но совсем небольшая их часть (примерно одна частица из нескольких тысяч) отклонялась на угол, больший (рис. 2).

Рис. 2. Рассеяние -частиц на атомах

Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, дело выглядело так, словно артиллерийский снаряд налетел на кусок бумаги и от удара повернул назад.

А «бумагой» в образном сравнении Резерфорда служил атом, устроенный согласно модели Томсона. Действительно, допустим, что положительный заряд атома «размазан» по всему атому, то есть шару радиусом см. Этот положительный заряд создаёт электрическое поле, тормозящее и отклоняющее -частицы. Вблизи атома потенциал данного поля:

Расчёты, однако, показывают, что такое поле оказывается слишком слабым — его тормозящего действия никак не хватит для того, чтобы остановить -частицу и отбросить её назад!

Таким образом, наличие -частиц, отброшенных фольгой, опровергло модель Томсона. Что же было предложено взамен?

Планетарная модель атома

Чтобы отбросить -частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома.

  • Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд занимает область размером , то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом
  • Зная кинетическую энергию -частицы, можно найти величину тормозящего потенциала , а затем и размер положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, дали следующий результат:
  • см.

Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3).

Рис. 3. Планетарная модель атома

В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.

Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.

Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.

Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!

Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объяснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию -частиц, оказалась лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к одному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий листок!

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/stroenie-atoma/

Модель атома Томсона — это… Что такое Модель атома Томсона?

Схематическое представление модели Томсона. В математической модели Томсона «корпускулы» (электроны) были расположены не случайно, а во вращающихся кольцах.

Модель Томсона (иначе называемая «пудинговая модель атома») — модель атома, предложенная в 1904 году Джозефом Джоном Томсоном. Открыв в 1897 году электрон, Томсон предположил, что «корпускулы»(так Томсон называл электроны, хотя ещё в 1894 году Дж. Дж. Стоуни предложил называть «атомы электричества» электронами[1]) являются составными частями атома и решил создать модель атома, отражающую это предположение.

Описание модели

С точки зрения Томсона:

…атомы элементов состоят из нескольких отрицательно заряженных корпускул, заключённых в сферу, имеющую однородно распределённый положительный электрический заряд…[2]

Атом по Томсону состоит из электронов, помещённых в положительно заряженный «суп», компенсирующий отрицательные заряды электронов, подобно отрицательно заряженным «изюминкам» в положительно заряженном «пудинге».

Электроны, как предполагалось, были распределены по всему атому. Было несколько вариантов возможного расположения электронов внутри атома, в частности вращающиеся кольца электронов.

В некоторых вариантах модели вместо «супа» предлагалось «облако» положительного заряда.

Согласно этой модели, электроны могли свободно вращаться в капле или облаке такой положительно заряженной субстанции.

Их орбиты стабилизировались тем, что, при удалении электрона от центра положительно заряженного облака, он испытывал увеличение силы притяжения, возвращающей его обратно, поскольку внутри его орбиты было больше вещества противоположного заряда, чем снаружи (по закону Гаусса).

В модели Томсона электроны могли свободно вращаться по кольцам, которые стабилизировались взаимодействиями между электронами, а спектры объясняли энергетические различия между различными кольцевыми орбитами.

Статья Томсона была опубликована в марте 1904 года в Философском журнале (Philosophical Magazine), ведущем британском научном журнале того времени. Томсон позднее пытался объяснить с помощью своей модели яркие спектральные линии некоторых элементов, но не особо в этом преуспел.

Тем не менее, модель Томсона (также как подобная модель сатурнианских колец для электронов атомов, которую выдвинул тоже в 1904 году Нагаока, по аналогии с моделью колец Сатурна Джеймса Клерка Максвелла) стала ранним предвестником более поздней и более успешной модели Бора, представляющей атом как подобие Солнечной системы.

Опровержение модели Томсона

Модель атома Томсона 1904 года была опровергнута в эксперименте по рассеянию альфа-части на золотой фольге в 1909 году, который был проанализирован Эрнестом Резерфордом в 1911 году[3] [4], предположившим, что в атоме есть очень малое ядро, содержащее очень большой положительный заряд (в случае золота, достаточный, чтобы компенсировать заряд около 100 электронов), что привело к созданию планетарной модели атома Резерфорда. Хотя атомный номер золота равен 79, сразу же после появления статьи Резерфорда в 1911 году Антониус Ван ден Брук сделал интуитивное предположение, что атомный номер и является зарядом ядра. Для решения вопроса требовался эксперимент. В 1913 году Генри Мозли экспериментально показал (см. Закон Мозли), что эффективный заряд ядра очень близок к атомному номеру (разность, обнаруженная Мозли, была не больше единицы), причём Мозли ссылался только на работы Ван ден Брука и Резерфорда. Эта работа в итоге привела к созданию в том же году модели атома Бора, похожей на Солнечную систему (но с квантовыми ограничениями), в которой ядро, имеющее положительный заряд, равный атомному номеру, окружено равным числом электронов на орбитальных слоях.

Интересные факты

  • С этой новой моделью Томсон отказался от своей более ранней гипотезы «туманного атома» (nebular atom), представлявшей атом состоящим из нематериальных вихрей. Теперь по крайней мере часть атома состояла из микроскопических отрицательно заряженных корпускул Томсона, хотя остальная положительно заряженная часть атома по-прежнему оставалась довольно туманной и плохо-определённой.
  • Модель Томсона сравнивали (но не он сам) с британским десертом, пудингом с изюмом, отсюда пошло название этой модели.

Примечания

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1832418

Модель атома Томсона

В
1904 году появились публикации о строении
атома, одни из которых принадлежали
японскому физику Хантаро Нагаока, другие
— английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока
представил строение атома аналогичным
строению солнечной системы: роль Солнца
играет положительно заряженная
центральная часть атома, вокруг которой
по установленным кольцеобразным орбитам
движутся “планеты” — электроны. При
незначительных смещениях электроны
возбуждают электромагнитные волны.

Дж.Томсон
стремился найти модель, которая позволила
бы объяснить все его известные свойства.

Поскольку преобладающая доля массы
атома сосредоточена в его положительно
заряженной части, он принял, что атом
представляет собой сферическое
распределение положительного заряда
радиусом примерно 10–10 м, а на его
поверхности находятся электроны,
удерживаемые упругими силами, позволяющими
им колебаться (рис. 4).

Суммарный
отрицательный заряд электронов в
точности компенсирует положительный
заряд, так что атом электрически
нейтрален. В простейшем атоме водорода
электрон находится в центре положительно
заряженной сферы. В многоэлектронных
атомах электроны располагаются по
устойчивым конфигурациям, рассчитанным
Томсоном.

Томсон считал каждую такую
конфигурацию определяющей химические
свойства атомов. Электроны находятся
на сфере, но могут совершать простые
гармонические колебания относительно
положения равновесия. Такие колебания
могут происходить лишь с определенными
частотами, которым соответствуют узкие
спектральные линии, наблюдающиеся в
газоразрядных трубках.

Электроны можно
довольно легко выбить с их позиций, в
результате чего возникают положительно
заряженные «ионы», из которых состоят
«каналовые лучи» в опытах с
масс-спектрографом. X-лучи соответствуют
очень высоким обертонам основных
колебанийэлектронов. Альфа-частицы,
возникающие при радиоактивных
превращениях, – это часть положительной
сферы, выбитая из нее в результате
какого-то энергичного разрывания атома.

Но
вскоре оказалось, что новые опытные
факты опровергают модель Томсона и,
наоборот, свидетельствуют в пользу
планетарной модели. Эти факты были
открыты Резерфордом. В первую очередь
следует отметить открытие ядерного
строения атома.

Читайте также:  Орбитальные взаимодействия через пространство и через связи - в помощь студенту

Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома

Резерфорд
заметил, что быстродвижущиеся альфа-частицы
способны проходить сквозь тонкую золотую
фольгу, не оставляя видимых следов, но
при этом слегка отклоняются.

Возникло
предположение, что атомы золота, твердые,
непроницаемые, как «крошечные
бильярдные шары» — как ранее считали
ученые, — были мягкими внутри! Все
выглядело так, будто меньшие и более
твердые альфа-частицы могут проходить
сквозь атомы золота как высокоскоростная
пуля через желе.

В
1909-1911гг. Резерфорд применил зондирование
атома с помощью α-частиц, которые
возникают при радиоактивном распаде
радия и некоторых других элементов.
Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз
больше массы электрона, а положительный
заряд равен удвоенному элементарному
заряду.

В своих опытах Резерфорд
использовал α-частицы с кинетической
энергией около 5 МэВ (скорость таких
частиц очень велика – порядка 107м/с,
но она все же значительно меньше скорости
света). α-частицы – это полностью
ионизированные атомы гелия. Они были
открыты Резерфордом в 1899 году.

Этими
частицами Резерфорд бомбардировал
атомы тяжелых элементов (золото, серебро,
медь и др.). Электроны, входящие в состав
атомов, вследствие малой массы не могут
заметно изменить траекторию α-частицы.

Рассеяние, то есть изменение направления
движения α-частиц, может вызвать только
тяжелая положительно заряженная часть
атома. Схема опыта Резерфорда представлена
на рис. 2.

Рисунок 2.Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

От
радиоактивного источника, заключенного
в свинцовый контейнер, α-частицы
направлялись на тонкую металлическую
фольгу. Рассеянные частицы попадали на
экран, покрытый слоем кристаллов сульфида
цинка, способных светиться под ударами
быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции
(вспышки) на экране наблюдались глазом
с помощью микроскопа.

Наблюдения
рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда
можно было проводить под различными
углами φ к первоначальному направлению
пучка. Было обнаружено, что большинство
α-частиц проходит через тонкий слой
металла, практически не испытывая
отклонения. Однако небольшая часть
частиц отклоняется на значительные
углы, превышающие 30°.

Очень редкие
α-частицы (приблизительно одна на десять
тысяч) испытывали отклонение на углы,
близкие к 180°. Но Резерфорд обнаружил,
что некоторые α-частицы, проходя сквозь
золотую фольгу, отклоняются очень
сильно.

Фактически некоторые вообще
отлетают назад! Почувствовав, что за
этим кроется нечто важное, ученый
тщательно посчитал количество частиц,
полетевших в каждом направлении.

Затем
путем сложного, но вполне убедительного
математического анализа он показал
единственный путь, которым можно было
объяснить результаты экспериментов:
атом золота состоял почти полностью из
пустого пространства, а практически
вся атомная масса была сконцентрирована
в центре, в маленьком «ядре» атома!

Этот
результат был совершенно неожиданным
даже для Резерфорда. Он находился в
резком противоречии с моделью атома
Томсона, согласно которой положительный
заряд распределен по всему объему атома.
При таком распределении положительный
заряд не может создать сильное
электрическое поле, способное отбросить
α-частицы назад.

Электрическое поле
однородного заряженного шара максимально
на его поверхности и убывает до нуля по
мере приближения к центру шара. Если бы
радиус шара, в котором сосредоточен
весь положительный заряд атома, уменьшился
в nраз, то максимальная сила
отталкивания, действующая на α-частицу
возросла бы вn2раз.

Следовательно,
при достаточно большом значенииnα-частицы могли бы испытать рассеяние
на большие углы вплоть до 180°. Эти
соображения привели Резерфорда к выводу,
что атом почти пустой, и весь его
положительный заряд сосредоточен в
малом объеме. Эту часть атома Резерфорд
назвалатомным ядром.
Так возниклаядерная
модель
атома.

Рис. 3 иллюстрирует
рассеяние α-частицы в атоме Томсона и
в атоме Резерфорда.

Рисунок 3. Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

Таким
образом, опыты Резерфорда и его сотрудников
привели к выводу, что в центре атома
находится плотное положительно заряженное
ядро, диаметр которого не превышает
10–14–10–15м. Это ядро
занимает только 10–12часть полного
объема атома, но содержитвесьположительный заряд и не менее 99,95 %
его массы.

Веществу, составляющему ядро
атома, следовало приписать колоссальную
плотность порядка ρ ≈ 1015г/см3.
Заряд ядра должен быть равен суммарному
заряду всех электронов, входящих в
состав атома.

Впоследствии удалось
установить, что если заряд электрона
принять за единицу, то заряд ядра в
точности равен номеру данного элемента
в таблице Менделеева.

Опираясь
на классические представления о движении
микрочастиц, Резерфорд предложил
планетарную модель
атома
.

Согласно этой модели, в
центре атома располагается положительно
заряженное ядро, в котором сосредоточена
почти вся масса атома.Атом в
целом нейтрален.

Вокруг ядра, подобно
планетам, вращаются под действием
кулоновских сил со стороны ядра электроны
(рис. 4). Находиться в состоянии покоя
электроны не могут, так как они упали
бы на ядро.

Планетарная
модель атома, предложенная Резерфордом,
несомненно, явилась крупным шагом в
развитии знаний о строении атома. Она
была совершенно необходимой для
объяснения опытов по рассеянию α-частиц.
Однако она оказалась неспособной
объяснить сам факт длительного
существования атома, т. е. его
устойчивость.

По законам классической
электродинамики, движущийся с ускорением
заряд должен излучать электромагнитные
волны, уносящие энергию. За короткое
время (порядка 10–8с) все
электроны в атоме Резерфорда должны
растратить всю свою энергию и упасть
на ядро.

То, что этого не происходит в
устойчивых состояниях атома, показывает,
что внутренние процессы в атоме не
подчиняются классическим законам.

Источник: https://studfile.net/preview/1032560/page:4/

Конспект по физике на тему "Модель Томсона" (9 класс)

Модель Томсона

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном, который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона, атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны.

В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т. е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10-10м.

Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» – это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» – это электроны (рис. 1).

Модель Резерфорда

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э. Резерфорду. На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Опыт Резерфорда

Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда (рис. 2) и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка.

Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку.

Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц.

Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.

Более того, когда экран сделали почти замкнутым, выяснилось, что есть частицы, которые каким-то образом летят в обратную сторону. Они отклоняются под углом 90° и больше. Эти наблюдения были проанализированы Резерфордом, и выяснилась следующая довольно любопытная вещь.

Анализ результатов опыта Резерфорда

В первую очередь здесь потерпела крах теория Томсона. По теории Томсона, атом представляет собой шар размером 10-10м, в котором положительный заряд размазан и есть электрон. Так вот, электроны – это очень маленькие частицы, они не могут препятствовать a-частицам, летящим с приличной скоростью. Скорость a-частиц в данном случае составляла около 10000 км/с.

Представьте себе ситуацию, когда грузовик столкнется с игрушечным автомобилем. Понятно, что грузовик даже не заметит такого автомобиля.

Это мы можем привести как аналогию столкновения электрона с a-частицей. Значит, необходимо было сделать вывод, что атом устроен иначе, не так, как утверждал Томсон.

И, видимо, в атоме золота есть объект более массивный, чем a-частица, имеющий положительный заряд.

Давайте посмотрим еще одну картину, которая характеризует рассеивание a-частиц на той массивной частице, наличие которой предсказал Резерфорд в атоме (рис. 3).

Рис. 3. Рассеивание альфа-частиц По результатам опытов можно было говорить, что в атоме есть массивный положительно заряженный объект. a-частица, сталкиваясь с этой большой частицей, может отразиться обратно.

Те частицы, которые пролетают рядом, отклоняются на разные углы. Чем дальше a-частица пролетает от этого объекта, тем на меньший угол они отклоняются. Такое явление получило название «рассеивание a-частиц».

Ядро и планетарная модель атома

Крупную частицу, которая находится внутри атома, Резерфорд назвал ядром. И даже оценил его размеры. По оценке Резерфорда, размеры ядра составили 10-14–10-15м. Этот объект был очень и очень мал по своим размерам по сравнению с атомом. Атом имеет размер порядка 10-10м. При этом практически вся масса атома была сосредоточена именно в ядре. И именно вокруг ядра обращаются электроны.

Отсюда следует планетарная модель Резерфорда, которая утверждает, что атом представляет собой массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по своим орбитам обращаются электроны (рис. 4). В целом атом электронейтрален, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома избыток или недостаток электронов, то его называют ион.

Заключение

Конечно, были и другие теории, представляющие интерес. На сегодняшний день общепринятой, с некоторыми оговорками, о которых поговорим позднее, является именно планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом.

Список литературы

Источник: https://infourok.ru/konspekt-po-fizike-na-temu-model-tomsona-klass-3057598.html

Модели атома Томсона и Резарфорда

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества («атомос» — неразложимый) возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века, во времена безграничного господства церкви, учение об атомах, будучи материалистическим, естественно, не могло получить признания, а тем более дальнейшего развития.

К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность, так как к этому времени в работах А. Лавуазье (1743—1794, французский химик), М. В. Ломоносова и Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов.

Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы по-прежнему считались неделимыми.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл Д. И. Менделеев, раз работавший в 1869 г. Периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в.

экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных, частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Дж. Дж. Томсону (1903).

Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Через несколько лет было доказано, что представление о непрерывно распределенном внутри атома положительном заряде ошибочно.

В развитии представлений о строении атома велико значение опытов английского физика Э. Резерфорда (1871—1937) по рассеянию ос-частиц в веществе.

Альфа-частицы возникают при радиоактивных превращениях; они являются положительно заряженными частицами с зарядом и массой, примерно в 7300 раз большей массы электрона.

Пучки a-частиц обладают высокой монохроматичностью (для данного превращения имеют практически одну и ту же скорость (порядка 107 м/с)).

Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц в веществе (через золотую фольгу толщиной примерно 1 мкм), показал, что основная их часть испытывает незначительные отклонения, но некоторые a-частицы (примерно одна из 20 000) резко отклоняются от первоначального направления (углы отклонения достигали даже 180°). Так как электроны не могут существенно изменить движение столь тяжелых и быстрых частиц, как a-частицы, то Резерфордом был сделан вывод, что значительное отклонение a-частиц обусловлено их взаимодействием с положительным зарядом большой массы. Однако значительное отклонение испытывают лишь немногие a-частицы; следователь но, лишь некоторые из них проходят вблизи данного положительного заряда. Это, в свою очередь, означает, что положительный заряд атома сосредоточен в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома.

На основании своих исследований Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель атома.

Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Ze(Z — порядковый номер элемента в системе Менделеева, е — элементарный заряд), размер 10-15 — 10-14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов.

Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. При этом кулоиовская сила взаимодействия между ядром и электроном сообщает электрону центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием кулоновской силы, имеет вид

где т, и v — масса и скорость электрона на орбите радиуса r, e0 — электрическая постоянная.

Уравнение (208.1) содержит два неизвестных: rи v. Следовательно, существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих ему значений скорости (а значит, и энергии), удовлетворяющих этому уравнению.

Поэтому величины r, v (следовательно, и Е)могут меняться непрерывно, т. е. может испускаться любая, а не вполне определенная порция энергии. Тогда спектры атомов должны быть сплошными.

В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Из выражения (208.1) следует, что при

г » 10-10 м скорость движения электронов v » 106 м/с, а ускорение v2/г = 1022 м/с2.

Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию.

В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным. Пре одоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой — квантовой — теории атома.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/4_109935_modeli-atoma-tomsona-i-rezarforda.html

Ссылка на основную публикацию