Модель сливового пудинга

Первая современная модель атома

Атом с семью электронами, расположенными в пентагональной дипирамиде, как его представлял себе Томсон в 1905 году.

Модель сливового пудинга была первой научной моделью атома , описывающей внутреннюю структуру. Впервые она была предложена Дж. Дж. Томсоном в 1904 году после открытия им электрона в 1897 году и была признана устаревшей после открытия Эрнестом Резерфордом атомного ядра в 1911 году. Модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: наличие электронов и отсутствие у атомов чистого электрического заряда. Логически должно было быть равное количество положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов. Поскольку Томсон не имел представления об источнике этого положительного заряда, он предположил, что он находится повсюду в атоме и что атом имеет сферическую форму — это была математически самая простая гипотеза, соответствующая имеющимся доказательствам или их отсутствию. В такой сфере отрицательно заряженные электроны распределялись бы более или менее равномерно по всему объему, одновременно отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к центру положительной сферы. ^[1]

Несмотря на усилия Томсона, его модель не могла объяснить спектры испускания и валентности . Основываясь на экспериментальных исследованиях рассеяния альфа-частиц (в эксперименте с золотой фольгой ), Эрнест Резерфорд разработал альтернативную модель атома с компактным ядром, в котором сосредоточен положительный заряд.

Модель Томсона обычно называют «моделью сливового пудинга» с представлением о том, что электроны распределены равномерно, как изюм в сливовом пудинге . Ни Томсон, ни его коллеги никогда не использовали эту аналогию. ^[2] Похоже, она была придумана популярными писателями, чтобы сделать модель более понятной для неспециалистов. Аналогия, возможно, вводит в заблуждение, поскольку Томсон сравнил положительную сферу с жидкостью, а не с твердым телом, поскольку он думал, что электроны движутся в ней. ^[3]

Значение

Модель Томсона знаменует собой момент, когда развитие атомной теории перешло от химиков к физикам. Хотя атомная теория была широко принята химиками к концу 19 века, физики оставались скептиками, поскольку в атомной модели отсутствовали какие-либо свойства, которые касались их области, такие как электрический заряд , магнитный момент , объем или абсолютная масса. До модели Томсона атомы были просто основными единицами веса, с помощью которых реагировали химические элементы. Сам Томсон был физиком, и его атомная модель была побочным продуктом его исследований катодных лучей , с помощью которых он открыл отрицательно заряженные частицы, теперь известные как электроны . Томсон выдвинул гипотезу, что количество, расположение и движения электронов в атоме могут объяснить его физические и химические свойства, такие как спектры испускания, валентности, реакционную способность и ионизацию. Он был на правильном пути, хотя его подход был основан на классической механике, и у него не было проницательности, чтобы включить в него квантованную энергию.

Фон

На протяжении всего 19 века накапливались доказательства из химии и статистической механики, что материя состоит из атомов. Обсуждалась структура атома, и к концу века ведущей моделью ^{[4] : 175} была вихревая теория атома , предложенная Уильямом Томсоном (позже лордом Кельвином) в 1867 году. ^[5] К 1890 году у Дж. Дж. Томсона была своя версия, названная гипотезой «небулярного атома», в которой атомы состояли из нематериальных вихрей, и предполагалось сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов. ^[6]

Открытие Томсоном электрона в 1897 году изменило его взгляды. Томсон назвал их «корпускулами» ( частицами ), но чаще их называли «электронами», название, которое Г. Дж. Стоуни придумал для « фундаментальной единицы количества электричества » в 1891 году. ^[7] Однако даже в конце 1899 года немногие ученые верили в субатомные частицы. ^{[8] : I:365}

Другой новой научной темой 19-го века было открытие и изучение радиоактивности . Томсон открыл электрон, изучая катодные лучи , а в 1900 году Анри Беккерель определил, что излучение урана, теперь называемое бета-частицами , имеет такое же отношение заряда к массе, как и катодные лучи. ^{[8] : II:3} Считалось, что эти бета-частицы являются электронами, движущимися с высокой скоростью. Частицы использовались Томсоном для исследования атомов с целью найти доказательства его атомной теории. Другой формой излучения, критической для этой эпохи атомных моделей, были альфа-частицы . Более тяжелые и медленные, чем бета-частицы, они были ключевым инструментом, который Резерфорд использовал для поиска доказательств против модели Томсона.

В дополнение к зарождающейся атомной теории, электрону и излучению, последним элементом истории были многочисленные исследования атомных спектров, опубликованные в конце 19 века. Часть привлекательности вихревой модели заключалась в ее возможной роли в описании спектральных данных как колебательных реакций на электромагнитное излучение. ^{[4] : 177} Ни модель Томсона, ни ее преемница, модель Резерфорда, не достигли прогресса в понимании атомных спектров. Это должно было подождать, пока Нильс Бор не построит первую квантовую модель атома.

Разработка

Модель Томсона была первой, которая приписала атому определенную внутреннюю структуру, ^{[9] :  9} хотя его самые ранние описания не включали математических формул. ^[2] С 1897 по 1913 год Томсон предложил ряд все более подробных полиэлектронных моделей атома. ^{[4] : 178} Его первые версии были качественными и достигли кульминации в его статье 1906 года и последующих резюме. Модель Томсона изменилась в ходе ее первоначальной публикации, в конечном итоге став моделью с гораздо большей подвижностью, содержащей электроны, вращающиеся в плотном поле положительного заряда, а не статической структурой. Томсон безуспешно пытался переформулировать свою модель, чтобы учесть некоторые из основных спектральных линий, экспериментально известных для нескольких элементов. ^[10]

1897 Корпускулы внутри атомов

В статье под названием «Катодные лучи » ^[11] 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. В нескольких абзацах ближе к концу этой длинной статьи Томсон обсуждает возможность того, что атомы состоят из этих корпускул , называя их первичными атомами . Томсон считал, что интенсивное электрическое поле вокруг катода заставляет окружающие молекулы газа разделяться на их составляющие корпускулы , тем самым генерируя катодные лучи. Таким образом, Томсон продемонстрировал доказательства того, что атомы делимы, хотя он не пытался описать их структуру на этом этапе.

Томсон отмечает, что он не был первым ученым, предположившим, что атомы делимы, ссылаясь на Уильяма Праута , который в 1815 году обнаружил, что атомные веса различных элементов кратны атомному весу водорода, и выдвинул гипотезу, что все атомы состоят из атомов водорода, соединенных вместе. ^[9] Гипотеза Праута была отвергнута химиками, когда к 1830-м годам было обнаружено, что некоторые элементы, по-видимому, имеют нецелый атомный вес — например, атомный вес хлора составляет около 35,45. Но эта идея продолжала интриговать ученых. Расхождения в конечном итоге были объяснены с открытием изотопов в 1912 году.

Через несколько месяцев после появления статьи Томсона Джордж Фицджеральд предположил, что корпускула, идентифицированная Томсоном из катодных лучей и предложенная в качестве частей атома, была «свободным электроном», как описано физиками Джозефом Лармором и Хендриком Лоренцом . Хотя Томсон не принял терминологию, эта связь убедила других ученых, что катодные лучи являются частицами, что стало важным шагом в их окончательном принятии атомной модели, основанной на субатомных частицах. ^[12]

В 1899 году Томсон повторил свою атомную модель в статье, которая показала, что отрицательное электричество, созданное ультрафиолетовым светом, падающим на металл (теперь известное как фотоэлектрический эффект ), имеет такое же отношение массы к заряду, как и катодные лучи; затем он применил свой предыдущий метод определения заряда на ионах к отрицательным электрическим частицам, созданным ультрафиолетовым светом. ^{[4] : 86} Он подсчитал, что масса электрона составляет 0,0014 массы иона водорода (в виде дроби: ⁠1/714⁠ ). ^[13] В заключении этой статьи он пишет: ^[9]

Я рассматриваю атом как содержащий большое количество более мелких тел, которые я буду называть корпускулами; эти корпускулы равны друг другу; масса корпускулы равна массе отрицательного иона в газе при низком давлении, т. е. около 3 × 10 ^-26 грамма. В нормальном атоме эта совокупность корпускул образует систему, которая электрически нейтральна. Отрицательный эффект уравновешивается чем-то, что заставляет пространство, через которое распространяются корпускулы, действовать так, как если бы оно имело заряд положительного электричества, равный по величине сумме отрицательных зарядов на корпускулах.

1904 Механическая модель атома

Томсон дал свое первое подробное описание атома в своей статье 1904 года «О структуре атома» . ^[14] Томсон начинает с краткого описания своей модели

... атомы элементов состоят из ряда отрицательно заряженных корпускул, заключенных в сферу однородной положительной электризации, ... ^[14]

Сосредоточившись в первую очередь на электронах, Томсон принял положительную сферу из модели атома Кельвина, предложенной годом ранее. ^{[10] [15]} Затем он дает подробный механический анализ такой системы, равномерно распределяя электроны по кольцу. Притяжение положительной электризации уравновешивается взаимным отталкиванием электронов. Его анализ фокусируется на стабильности, ища случаи, когда небольшие изменения положения противостоят восстанавливающим силам.

После обсуждения своих многочисленных формул стабильности он обратился к анализу закономерностей в числе электронов в различных концентрических кольцах устойчивых конфигураций. Эти регулярные закономерности, как утверждал Томсон, аналогичны периодическому закону химии, лежащему в основе структуры периодической таблицы . Эта концепция, что модель, основанная на субатомных частицах, может объяснить химические тенденции, стимулировала интерес к модели Томсона и повлияла на будущую работу, даже если детали электронных назначений Томсона оказались неверными. ^{[16] : 135}

В этот момент Томсон считал, что вся масса атома переносится электронами. ^[17] Это означало бы, что даже небольшой атом должен был бы содержать тысячи электронов, а положительная электризация, которая их инкапсулировала, не имела бы массы. ^[18]

1905 г. лекция об электронных структурах

В лекции, прочитанной в Королевском институте Великобритании в 1905 году, ^[19] Томсон объяснил, что для него было слишком сложно с вычислительной точки зрения рассчитать движения большого количества электронов в положительной сфере, поэтому он предложил практический эксперимент. Он включал в себя намагниченные штифты, вставленные в пробковые диски и опущенные на плаву в бассейне с водой. Штифты были ориентированы таким образом, что отталкивались друг от друга. Над центром бассейна был подвешен электромагнит, который притягивал штифты. Равновесное расположение штифтов дало Томсону информацию о том, какие расположения могут занимать электроны в атоме, хотя понимание было ограничено, поскольку эксперимент проводился в двух измерениях вместо трех.

Например, он заметил, что в то время как пять штифтов выстраивались в устойчивый пятиугольник вокруг центра, шесть штифтов не могли образовать устойчивый шестиугольник. Вместо этого один штифт перемещался в центр, а остальные пять образовывали пятиугольник вокруг центрального штифта, и такое расположение было устойчивым. По мере того, как он добавлял больше штифтов, они выстраивались в концентрические кольца вокруг центра.

Исходя из этого, Томсон полагал, что электроны в атоме располагаются в концентрических оболочках и могут перемещаться внутри этих оболочек, но не перемещаются из одной оболочки в другую, за исключением случаев, когда электроны добавляются или вычитаются из атома.

1906 Оценка количества электронов на атом

До 1906 года Томсон считал, что атомный вес обусловлен массой электронов (которые он продолжал называть «корпускулами»). Основываясь на его собственных оценках массы электрона, атому понадобились бы десятки тысяч электронов для учета массы. В 1906 году он использовал три различных метода: рассеяние рентгеновских лучей, поглощение бета-лучей или оптические свойства газов, чтобы оценить, что «количество корпускул не сильно отличается от атомного веса». ^{[20] [21]} Это уменьшило количество электронов до десятков или максимум пары сотен, и это, в свою очередь, означало, что положительная сфера в модели Томсона содержала большую часть массы атома. Это означало, что работа Томсона о механической стабильности от 1904 года и сравнение с периодической таблицей больше не были действительными. ^{[4] : 186} Более того, альфа-частица, столь важная для следующего прогресса в атомной теории Резерфорда, больше не будет рассматриваться как атом, содержащий тысячи электронов. ^{[21] : 269}

В 1907 году Томсон опубликовал работу «Корпускулярная теория материи» ^[22] , в которой рассмотрел свои идеи о структуре атома и предложил дальнейшие направления исследований.

В главе 6 он более подробно описывает свой эксперимент с использованием намагниченных булавок в воде, предоставляя расширенную таблицу. Например, если бы в бассейне было помещено 59 булавок, они бы расположились в концентрических кольцах порядка 20-16-13-8-2 (от самых внешних к самым внутренним).

В главе 7 Томсон подытожил свои результаты 1906 года по числу электронов в атоме. Он включил одно важное исправление: он заменил анализ бета-частиц на анализ, основанный на экспериментах Августа Беккера с катодными лучами , что дало результат, лучше согласующийся с другими подходами к проблеме. ^{[21] : 273} Эксперименты других ученых в этой области показали, что атомы содержат гораздо меньше электронов, чем Томсон считал ранее. Теперь Томсон считал, что число электронов в атоме было небольшим кратным его атомного веса: «число корпускул в атоме любого элемента пропорционально атомному весу элемента — оно является кратным, а не большим, атомного веса элемента». ^[23] Это означало, что почти вся масса атома должна была нести положительная сфера, из чего бы она ни была сделана.

Томсон в этой книге подсчитал, что атом водорода в 1700 раз тяжелее электрона ( современное измерение составляет 1837 ). ^[24] Томсон отметил, что ни один ученый еще не нашел положительно заряженную частицу меньше иона водорода. ^[25] Он также написал, что положительный заряд атома кратен базовой единице положительного заряда, равной отрицательному заряду электрона. ^[26] Томсон отказался делать вывод о том, что базовая единица положительного заряда имеет массу, равную массе иона водорода, утверждая, что ученые сначала должны узнать, сколько электронов содержит атом. ^[27]

1910 Многократное рассеяние

Трудности Томсона с бета-рассеянием в 1906 году привели к тому, что он вновь заинтересовался этой темой. Он призвал Дж. Арнольда Кроутера провести эксперимент с бета-рассеянием через тонкую фольгу ^[28] , и в 1910 году Томсон создал новую теорию бета-рассеяния. ^[29] Двумя нововведениями в этой статье были введение рассеяния от положительной сферы атома и анализ того, что многократное или составное рассеяние имеет решающее значение для конечных результатов. ^{[21] : 273} Эта теория и экспериментальные результаты Кроутера столкнулись с теорией Резерфорда и новыми экспериментами Гейгера и Мардсена с альфа-частицами.

Другим нововведением в работе Томсона 1910 года было то, что он смоделировал, как атом мог бы отклонить входящую бета-частицу, если бы положительный заряд атома существовал в дискретных единицах равного, но произвольного размера, равномерно распределенных по всему атому, разделенных пустым пространством, причем каждая единица имела положительный заряд, равный отрицательному заряду электрона. ^[30] Таким образом, Томсон приблизился к выводу о существовании протона , что в конечном итоге и сделал Резерфорд. В модели атома Резерфорда протоны сгруппированы в очень маленьком ядре, но в альтернативной модели Томсона положительные единицы были распределены по всему атому.

Модель рассеяния Томсона 1910 года

В своей статье 1910 года «О рассеянии быстро движущихся электрифицированных частиц» Томсон представил уравнения, моделирующие рассеяние бета-частиц при столкновении с атомом. ^{[31] [21] : 277}

Отклонение положительной сферой

Томсон обычно предполагал, что положительный заряд в атоме равномерно распределен по всему его объему, инкапсулируя электроны. В своей статье 1910 года Томсон представил следующее уравнение, которое изолировало эффект этой положительной сферы: ^{[31] [21] : 278}

$${\displaystyle {\bar {\theta }}_{2}={\frac {\pi }{4}}\cdot {\frac {kq_{e}q_{g}}{mv^{2}R}}}$$

где k — постоянная Кулона , q _e — заряд бета-частицы, q _g — заряд положительной сферы, m — масса бета-частицы, а R — радиус сферы. Поскольку атом во много тысяч раз тяжелее бета-частицы, поправка на отдачу не требуется.

Томсон не объяснил, как было разработано это уравнение, но историк Джон Л. Хейлброн выдвинул обоснованную догадку, которую он назвал приближением «прямой линии». ^[32] Рассмотрим бета-частицу, проходящую через положительную сферу с ее начальной траекторией на боковом расстоянии b от центра. Предполагается, что траектория имеет очень малое отклонение и поэтому рассматривается здесь как прямая линия.

Схема не в масштабе. Отклонение бета-частицы на самом деле настолько мало, что траектория представляет собой практически прямую линию.

Внутри сферы равномерно распределенного положительного заряда сила, действующая на бета-частицу в любой точке ее пути через сферу, будет направлена ​​вдоль радиуса r с величиной: ^{[33] [34] : 106}

$${\displaystyle F={\frac {kq_{e}q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {r^{3}}{R^{3}}}}$$

Составляющая силы, перпендикулярная траектории и, таким образом, отклоняющая путь частицы, будет равна:

$${\displaystyle F_{y}={\frac {kq_{e}q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {r^{3}}{R^{3}}}\cdot \cos \varphi ={\frac {bkq_{e}q_{g}}{R^{3}}}}$$

Следовательно, боковое изменение импульса p _y равно

$${\displaystyle \Delta p_{y}=F_{y}t={\frac {bkq_{e}q_{g}}{R^{3}}}\cdot {\frac {L}{v}}}$$

Результирующее угловое отклонение, определяется выражением ${\displaystyle \theta _{2}}$

$${\displaystyle \tan \theta _{2}={\frac {\Delta p_{y}}{p_{x}}}={\frac {bkq_{e}q_{g}}{R^{3}}}\cdot {\frac {L}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}}$$

где p _x — средний горизонтальный импульс, принятый равным входящему импульсу. Поскольку мы уже знаем, что отклонение очень мало, мы можем считать его равным . ${\displaystyle \tan \theta _{2}}$ ${\displaystyle \theta _{2}}$

Чтобы найти средний угол отклонения , угол для каждого значения b и соответствующее значение L складываются по всей поверхности сферы, затем делятся на площадь поперечного сечения. согласно теореме Пифагора . ^{[21] : 278} ${\displaystyle {\bar {\theta }}_{2}}$ ${\displaystyle L=2{\sqrt {R^{2}-b^{2}}}}$

$${\displaystyle {\bar {\theta }}_{2}={\frac {1}{\pi R^{2}}}\int _{0}^{R}{\frac {bkq_{e}q_{g}}{R^{3}}}\cdot {\frac {2{\sqrt {R^{2}-b^{2}}}}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}\cdot 2\pi b\cdot \mathrm {d} b}$$

$${\displaystyle ={\frac {\pi }{4}}\cdot {\frac {kq_{e}q_{g}}{mv^{2}R}}}$$

Это соответствует формуле Томсона из его статьи 1910 года.

Отклонение электронами

Томсон смоделировал столкновения бета-частицы с электронами атома, вычислив отклонение одного столкновения, а затем умножив его на коэффициент, указывающий количество столкновений при пересечении частицей атома.

Для электронов, находящихся на произвольном расстоянии s от траектории бета-частицы, их среднее расстояние будет ⁠1/2⁠ s . Таким образом, среднее отклонение на электрон будет

$${\displaystyle 2\arctan {\frac {kq_{e}q_{e}}{mv^{2}{\tfrac {1}{2}}s}}\approx {\frac {4kq_{e}q_{e}}{mv^{2}s}}}$$

где q _e — элементарный заряд , k — постоянная Кулона , m и v — масса и скорость бета-частицы.

Фактор числа столкновений, как известно, равен квадратному корню из числа возможных электронов на пути. Число электронов зависит от плотности электронов на пути частицы, умноженной на длину пути L. Чистое отклонение, вызванное всеми электронами в этом произвольном цилиндре эффекта вокруг пути бета-частицы, равно

$${\displaystyle \theta _{1}={\frac {4kq_{e}q_{e}}{mv^{2}s}}\cdot {\sqrt {N_{0}\pi s^{2}L}}}$$

где N ₀ — число электронов в единице объема, — объем данного цилиндра. ${\displaystyle \pi s^{2}L}$

Поскольку Томсон рассчитал, что отклонение будет очень малым, он рассматривает L как прямую линию. Следовательно , где b — расстояние этой хорды от центра. Среднее значение задается интегралом ${\displaystyle L=2{\sqrt {R^{2}-b^{2}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {L}}={\sqrt {2{\sqrt {R^{2}-b^{2}}}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {L}}}$

$${\displaystyle {\frac {1}{\pi R^{2}}}\int _{0}^{R}{\sqrt {2{\sqrt {R^{2}-b^{2}}}}}\cdot 2\pi b\cdot \mathrm {d} b={\frac {4}{5}}{\sqrt {2R}}}$$

Теперь мы можем заменить в уравнении для получения среднего отклонения : ${\displaystyle {\sqrt {L}}}$ ${\displaystyle \theta _{1}}$ ${\displaystyle {\bar {\theta }}_{1}}$

$${\displaystyle {\bar {\theta }}_{1}={\frac {4kq_{e}q_{e}}{mv^{2}s}}\cdot {\sqrt {N_{0}\pi s^{2}}}\cdot {\frac {4}{5}}{\sqrt {2R}}}$$

$${\displaystyle ={\frac {16}{5}}\cdot {\frac {kq_{e}q_{e}}{mv^{2}}}\cdot {\frac {1}{R}}\cdot {\sqrt {\frac {3N}{2}}}}$$

где N — число электронов в атоме, равное . ${\displaystyle N_{0}{\tfrac {4}{3}}\pi R^{3}}$

Отклонение положительным зарядом в дискретных единицах

В своей статье 1910 года Томсон предложил альтернативную модель, в которой положительный заряд существует в дискретных единицах, разделенных пустым пространством, причем эти единицы равномерно распределены по всему объему атома.

В этой концепции средний угол рассеяния бета-частицы определяется по формуле:

$${\displaystyle {\bar {\theta }}_{2}={\frac {16}{5}}\cdot {\frac {kq_{e}q_{e}}{mv^{2}}}\cdot {\frac {1}{R}}\cdot {\sqrt {\frac {3N}{2}}}{\sqrt {1-\left(1-{\frac {\pi }{8}}\right){\sqrt {\sigma }}}}}$$

где σ — отношение объема, занимаемого положительным зарядом, к объему всего атома. Томсон не объяснил, как он пришел к этому уравнению.

Чистый прогиб

Чтобы найти совместное влияние положительного заряда и электронов на траекторию бета-частицы, Томсон вывел следующее уравнение:

$${\displaystyle {\bar {\theta }}={\sqrt {{\bar {\theta }}_{1}^{2}+{\bar {\theta }}_{2}^{2}}}}$$

Крушение модели сливового пудинга

Результаты экспериментов по рассеянию Резерфорда и их значение для атомной теории
Слева: Если бы модель Томсона была правильной, все альфа-частицы должны были бы пройти через фольгу с минимальным рассеянием.
Справа: Гейгер и Марсден наблюдали, что небольшая часть альфа-частиц испытывала сильное отклонение.

Томсон исследовал структуру атомов посредством рассеяния бета-частиц , тогда как его бывший студент Эрнест Резерфорд интересовался рассеянием альфа-частиц . Бета-частицы — это электроны, испускаемые радиоактивным распадом, тогда как альфа-частицы по сути являются атомами гелия, также испускаемыми в процессе распада. Альфа-частицы имеют значительно больший импульс, чем бета-частицы, и Резерфорд обнаружил, что материя рассеивает альфа-частицы способами, которые модель сливового пудинга Томсона не могла предсказать.

Между 1908 и 1913 годами Эрнест Резерфорд , Ганс Гейгер и Эрнест Марсден совместно провели серию экспериментов, в которых они бомбардировали тонкую металлическую фольгу пучком альфа-частиц и измеряли интенсивность в зависимости от угла рассеяния частиц. Они обнаружили, что металлическая фольга может рассеивать альфа-частицы более чем на 90°. ^{[35] : 4} Это не должно было быть возможным согласно модели Томсона: рассеяние на большие углы должно было быть пренебрежимо малым. Вероятность того, что бета-частица будет рассеяна более чем на 90° при таких обстоятельствах, астрономически мала, и поскольку альфа-частицы обычно имеют гораздо больший импульс, чем бета-частицы, их отклонение должно быть еще меньше. ^[36] Модели Томсона просто не могли производить электростатические силы достаточной силы, чтобы вызвать такое большое отклонение. Заряды в модели Томсона были слишком разбросаны. Это заставило Резерфорда отказаться от модели Томсона в пользу новой, в которой положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре.

Резерфорд продолжил делать более убедительные открытия. В модели Томсона сфера положительного заряда была просто абстрактным компонентом, но Резерфорд нашел нечто конкретное, чтобы приписать положительный заряд: частицы, которые он назвал « протонами ». В то время как Томсон считал, что количество электронов примерно коррелирует с атомным весом, Резерфорд показал, что (в нейтральном атоме) оно точно равно атомному номеру.

Томсон выдвинул гипотезу, что расположение электронов в атоме каким-то образом определяет спектральные линии химического элемента. Он был на правильном пути, но это не имело никакого отношения к тому, как атомы циркулируют в сфере положительного заряда. Ученые в конечном итоге обнаружили, что это имело отношение к тому, как электроны поглощают и выделяют энергию в дискретных количествах, проходя через энергетические уровни, которые соответствуют спектрам испускания и поглощения. Томсон не включил квантовую механику в свою атомную модель, которая в то время была совершенно новой областью физики. Нильс Бор и Эрвин Шредингер позже включили квантовую механику в атомную модель.

Ядерная модель Резерфорда

Статья Резерфорда 1911 года о рассеянии альфа-частиц показала, что модель рассеяния Томсона не может объяснить рассеяние на большие углы, и показала, что многократное рассеяние не является необходимым для объяснения данных. Однако в годы, непосредственно последовавшие за ее публикацией, немногие ученые обратили на это внимание. ^[4] Предсказания модели рассеяния не считались окончательным доказательством против модели пудинга с изюмом Томсона. Томсон и Резерфорд были пионерами рассеяния как метода исследования атомов, его надежность и ценность не были доказаны. До статьи Резерфорда альфа-частица считалась атомом, а не компактной массой. Было неясно, почему она должна быть хорошим зондом. Более того, в статье Резерфорда не обсуждались атомные электроны, жизненно важные для практических задач, таких как химия или атомная спектроскопия. ^{[21] : 300} Ядерная модель Резерфорда получила широкое признание только после работы Нильса Бора .

Математическая задача Томсона

Задача Томсона в математике ищет оптимальное распределение равных точечных зарядов на поверхности сферы. В отличие от исходной атомной модели Томсона, сфера в этой чисто математической модели не имеет заряда, и это заставляет все точечные заряды перемещаться к поверхности сферы путем их взаимного отталкивания. До сих пор нет общего решения исходной задачи Томсона о том, как электроны располагаются внутри положительной сферы его атомной модели. ^{[37] [38]}

Происхождение прозвища

Рождественский пудинг , не предпочитаемая Томсоном аналогия для его атомной модели.

Первым известным автором, сравнившим модель Томсона с изюмным пудингом, был анонимный репортер в статье для британского фармацевтического журнала The Chemist and Druggist в августе 1906 года.

В то время как отрицательное электричество концентрируется на чрезвычайно малой частице, положительное электричество распределено по значительному объему. Таким образом, атом будет состоять из мельчайших пятнышек, отрицательных частиц, плавающих в сфере положительной электризации, как изюм в скудном сливовом пудинге, единицы отрицательного электричества притягиваются к центру, в то же время отталкиваясь друг от друга. ^[39]

Аналогия никогда не использовалась Томсоном или его коллегами. Похоже, это было тщеславие популярных авторов научной литературы, чтобы сделать модель более понятной для неспециалистов. ^[2]

Ссылки

1. Томсон 1907, стр. 103 «За неимением точного знания природы того, каким образом положительное электричество возникает в атоме, мы рассмотрим случай, в котором положительное электричество распределяется способом, наиболее поддающимся математическому расчету, т. е. когда оно возникает в виде сферы однородной плотности, по всей которой распределены корпускулы».
2. Giora Hon; Bernard R. Goldstein (6 сентября 2013 г.). "Модель атома JJ Thomson's plum-pudding: Создание научного мифа". Annalen der Physik . 525 (8–9): A129–A133. Bibcode : 2013AnP...525A.129H. doi : 10.1002/andp.201300732.
3. Письмо Дж. Дж. Томсона Оливеру Лоджу от 11 апреля 1904 г., цитируется в Davis & Falconer 1997, стр. 153:
   «Что касается положительной электризации, я привык использовать грубую аналогию жидкости с определенным количеством сцепления, достаточным для того, чтобы она не разлеталась на куски под действием собственного отталкивания. Однако я всегда старался держать физическую концепцию положительного электричества на заднем плане, поскольку у меня всегда были надежды (пока не реализованные) на то, что смогу обойтись без положительной электризации как отдельной сущности и заменить ее каким-либо свойством корпускул».
   
4. Pais, Abraham (2002). Внутреннее ограничение: материи и сил в физическом мире (Переиздание). Oxford: Clarendon Press [ua] ISBN 978-0-19-851997-3.
5. Томсон, Уильям (1869). «О вихревых атомах». Труды Королевского общества Эдинбурга . 6 : 94–105. doi :10.1017/S0370164600045430.
6. Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики в двадцатом веке (переиздание). Princeton University Press . стр. 43–45. ISBN 978-0691095523.
7. O'Hara, JG (март 1975). «Джордж Джонстон Стоуни, член Королевского общества, и концепция электрона». Заметки и записи Лондонского королевского общества . 29 (2): 265–276. doi :10.1098/rsnr.1975.0018. JSTOR  531468. S2CID  145353314.
8. Whittaker, ET (1989). История теорий эфира и электричества . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-26126-3.
9. Helge Kragh (октябрь 2010 г.). До Бора: Теории атомной структуры 1850-1913 гг. RePoSS: Исследовательские публикации по научным исследованиям 10. Орхус: Центр научных исследований, Университет Орхуса.
10. Фаулер, Майкл. «Модели атома». Университет Вирджинии .
11. Томсон 1897.
12. Фалконер, Изобель (июль 1987 г.). «Корпускулы, электроны и катодные лучи: Дж. Дж. Томсон и «открытие электрона»». Британский журнал истории науки . 20 (3): 241–276. doi :10.1017/S0007087400023955. ISSN  0007-0874.
13. Дж. Дж. Томсон (1899). «О массах ионов в газах при низких давлениях». Philosophical Magazine . 5. 48 (295): 547–567.
    «...величина этого отрицательного заряда составляет около 6 × 10 ^-10 электростатических единиц и равна 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, составляя всего лишь около 1,4 × 10 ^-3 массы иона водорода, наименьшей массы, до сих пор признанной способной к отдельному существованию. Таким образом, создание отрицательной электризации включает в себя расщепление атома, поскольку из совокупности атомов выделяется нечто, масса которого меньше массы отдельного атома».
14. Томсон 1904.
15. Кумар, Манджит (2008). Квантовый Эйнштейн, Бор и великий спор . WW Norton. ISBN 978-0393339888.
16. Краг, Хельге (2001). «Первые субатомные объяснения периодической системы». Основы химии . 3 (2): 129–143. doi :10.1023/A:1011448410646.
17. Томсон 1904: «Мы предполагаем, что масса атома равна сумме масс содержащихся в нем корпускул, так что атомный вес элемента измеряется числом корпускул в его атоме».
18. Бейли, К. (январь 2013 г.). «Ранние атомные модели – от механических до квантовых (1904–1913)». The European Physical Journal H . 38 (1): 1–38. arXiv : 1208.5262 . Bibcode :2013EPJH...38....1B. doi :10.1140/epjh/e2012-30009-7. ISSN  2102-6459.
19. Томсон, Дж. Дж. (10 марта 1905 г.), Структура атома (PDF). Перепечатано в Davis & Falconer 1997
20. Томсон, Дж. Дж. (июнь 1906 г.). «LXX. О числе корпускул в атоме». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 11 (66): 769–781. doi :10.1080/14786440609463496. ISSN  1941-5982.
21. Джон Л. Хейлброн (1968). «Рассеяние α- и β-частиц и атом Резерфорда». Архив истории точных наук . 4 (4): 247–307. doi :10.1007/BF00411591. ISSN  0003-9519. JSTOR  41133273.
22. Томсон 1907.
23. Томсон 1907, стр. 27
24. Томсон 1907, стр. 162: «Поскольку масса корпускулы составляет всего лишь около одной семнадцатисотой части массы атома водорода, то отсюда следует, что если в атоме водорода всего несколько корпускул, то масса атома должна в основном быть обусловлена ​​его другой составляющей — положительным электричеством».
25. Томсон 1907, стр. 23, 26.
26. Дж. Дж. Томсон (1907). Корпускулярная теория материи . стр. 26-27: «В неэлектрифицированном атоме имеется столько же единиц положительного электричества, сколько и отрицательного; атом с единицей положительного заряда является нейтральным атомом, потерявшим одну корпускулу, в то время как атом с единицей отрицательного заряда является нейтральным атомом, к которому присоединена дополнительная корпускула».
27. Томсон (1907), стр. 27: «До сих пор не было найдено ни одного положительно заряженного тела с массой, меньшей массы атома водорода. Однако мы не можем без дальнейшего исследования сделать из этого вывод, что масса единицы заряда положительного электричества равна массе атома водорода, поскольку все, что мы знаем об электрифицированной системе, это то, что положительное электричество на одну единицу превышает отрицательное электричество; любая система, содержащая n единиц положительного электричества и ( n -1) корпускул, будет удовлетворять этому условию, каково бы ни было значение n . Прежде чем мы сможем сделать какие-либо выводы относительно массы единицы положительного электричества, мы должны знать кое-что о числе корпускул в системе».
28. Crowther, JA (1910-09-15). «О рассеянии однородных β-лучей и числе электронов в атоме». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического и физического характера . 84 (570): 226–247. Bibcode : 1910RSPSA..84..226C. doi : 10.1098/rspa.1910.0074 . ISSN  0950-1207.
29. Томсон, Джозеф Дж. «О рассеянии быстро движущихся электрифицированных частиц». Кембриджское философское общество, 1910.
30. Томсон (1910): «Величина отклонения, обусловленная (2), будет зависеть от того, равномерно ли распределено положительное электричество по атому или предполагается, что оно разделено на равные части, каждая из которых занимает конечный объем, вероятно, намного больший, чем объем, занимаемый корпускулой».
31. JJ Thomson (1910). «О рассеянии быстро движущихся электрифицированных частиц». Труды Кембриджского философского общества . 15 : 465–471.
32. Хейлброн (1968). стр. 278
33. «Электрическое поле, сферическая геометрия».
34. Бейзер (1969). Перспективы современной физики, стр. 109.
35. Беляев, Александр; Росс, Дуглас (2021). Основы ядерной физики и физики элементарных частиц. Бакалаврские тексты по физике. Cham: Springer International Publishing. Bibcode : 2021bnpp.book.....B. doi : 10.1007/978-3-030-80116-8. ISBN 978-3-030-80115-1.
36. Резерфорд (1911): «Это рассеяние гораздо более выражено для β-частицы, чем для α-частицы, из-за гораздо меньшего импульса и энергии первой частицы».
37. Левин, Y.; Арензон, JJ (2003). «Почему заряды идут 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. S2CID  250764497.
38. Рот, Дж. (2007-10-24). «Описание высокосимметричного многогранника, наблюдаемого в задаче Томсона о зарядах на гиперсфере». Physical Review E. 76 ( 4): 047702. Bibcode : 2007PhRvE..76d7702R. doi : 10.1103/PhysRevE.76.047702. ISSN  1539-3755. PMID  17995142. Хотя модель Томсона давно устарела из-за квантовой механики, его проблема размещения зарядов на сфере по-прежнему заслуживает внимания.
39. «Что такое материя?». Химик и аптекарь . 69 (8): 329–330. 25 августа 1906 г.

Библиография

• Дэвис, Э.А.; Фалконер, И.Дж. (1997). Дж.Дж. Томсон и открытие электрона . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-203-79233-5.
• Томсон, Дж. Дж. (1897). «Катодные лучи» (PDF) . Philosophical Magazine . 44 (269): 293–316. doi :10.1080/14786449708621070.
• Томсон, Дж. Дж. (1899). «О массах ионов в газах при низких давлениях». Philosophical Magazine . 5. 48 (295): 547–567.
• Томсон, Дж. Дж. (март 1904 г.). «О структуре атома: исследование устойчивости и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных на равных интервалах по окружности круга; с применением результатов к теории атомной структуры». Philosophical Magazine . Шестая серия. 7 (39): 237–265. doi :10.1080/14786440409463107. Архивировано (PDF) из оригинала 09.10.2022.
• Томсон, Дж. Дж. (1907). Корпускулярная теория материи. Сыновья Чарльза Скрибнера.
• Эрнест Резерфорд (1911). «Рассеяние α- и β-частиц материей и структура атома» (PDF) . Philosophical Magazine . Серия 6. 21 (125): 669–688. doi :10.1080/14786440508637080.
• Дж. Дж. Томсон (1906). «О числе корпускул в атоме» (PDF) . Philosophical Magazine . 6. 11 (66): 769–781. doi :10.1080/14786440609463496.
• Дж. Дж. Томсон (1910). «О рассеянии быстро движущихся электрифицированных частиц». Труды Кембриджского философского общества . 15 : 465–471.