Модель сливового пудинга — одна из нескольких исторических научных моделей атома . Впервые предложенная Дж. Дж. Томсоном в 1904 году [1] вскоре после открытия электрона , но до открытия атомного ядра , модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: что электроны являются отрицательно заряженными субатомными частицами и что атомы не имеют чистого электрического заряда. В модели сливового пудинга электроны окружены объемом положительного заряда, как отрицательно заряженные «сливы», заключенные в положительно заряженный « пудинг ».
Уже много лет было известно, что атомы содержат отрицательно заряженные субатомные частицы. Томсон называл их «корпускулами» ( частицами ), но чаще их называли «электронами» — это название Г. Дж. Стоуни придумал для « фундаментальной единицы количества электричества » в 1891 году . [2] В течение многих лет также было известно, что атомы не имеют чистого электрического заряда. Томсон считал, что атомы также должны содержать некоторый положительный заряд, который компенсирует отрицательный заряд их электронов. [3] [4] Томсон опубликовал предложенную им модель в мартовском выпуске 1904 года « Философского журнала» , ведущего британского научного журнала того времени. По мнению Томсона:
...атомы элементов состоят из множества отрицательно наэлектризованных частиц, заключенных в сферу равномерной положительной электризации,... [5]
Модель Томсона была первой, которая приписала атому особую внутреннюю структуру, хотя его первоначальное описание не включало математические формулы. [6] [7] Он следил за работой Уильяма Томсона , который в 1867 году написал статью, в которой предлагался вихревой атом. [8] Дж. Дж. Томсон отказался от своей гипотезы «небулярного атома» 1890 года, основанной на вихревой теории атома , в какие атомы состоят из нематериальных вихрей, и предположил, что существует сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов. [9] Томсон основал свою атомную модель на известных экспериментальных данных того времени и, по сути, снова последовал примеру лорда Кельвина, поскольку годом ранее Кельвин предложил атом с положительной сферой. [10] [11] Предложение Томсона, основанное на модели Кельвина положительного объемного заряда, послужило руководством для будущих экспериментов.
Основной целью модели Томсона после ее первоначальной публикации было объяснение электрически нейтрального и химически разнообразного состояния атома. [5] Орбиты электронов были стабильны в соответствии с классической механикой. Когда электрон удаляется от центра положительно заряженной сферы, на него действует большая чистая положительная внутренняя сила из-за присутствия большего количества положительного заряда внутри его орбиты (см. Закон Гаусса ). Электроны могли свободно вращаться в кольцах, которые дополнительно стабилизировались за счет взаимодействий между электронами, а спектроскопические измерения должны были учитывать различия в энергии, связанные с разными электронными кольцами. Что касается свойств материи, Томсон считал, что они возникают в результате электрических эффектов. Далее он подчеркнул необходимость теории, которая помогла бы представить физические и химические аспекты атома, используя теорию корпускул и положительного заряда . [12] Томсон безуспешно пытался изменить свою модель, чтобы учесть некоторые из основных спектральных линий , экспериментально известных для нескольких элементов. [13] После научного открытия радиоактивности Томсон решил учесть ее в своей модели, заявив:
... мы должны столкнуться с проблемой строения атома и посмотреть, сможем ли мы представить модель, которая потенциально может объяснить замечательные свойства, проявляемые радиоактивными веществами ... [14]
Модель Томсона изменилась в ходе ее первоначальной публикации и, наконец, стала моделью с гораздо большей подвижностью, содержащей электроны, вращающиеся в плотном поле положительного заряда, а не в статической структуре. Несмотря на это, модели Томсона вскоре приписали разговорное прозвище «сливовый пудинг», поскольку распределение электронов в ее положительно заряженной области пространства напомнило многим ученым изюм, который тогда назывался «сливами», в обычном английском десерте, сливовом пудинге . [15]
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден провели эксперименты, в которых альфа-частицы пропускались через тонкие листы золота . Их профессор Эрнест Резерфорд ожидал найти результаты, соответствующие атомной модели Томсона. Однако, когда результаты были опубликованы в 1911 году, вместо этого они предполагали наличие очень маленького ядра с положительным зарядом в центре каждого атома золота. [16] Это привело к разработке модели атома Резерфорда . [17] 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. Эксперименты Генри Мозли 1913 года (см. Закон Мозли ) предоставили необходимые доказательства в поддержку предложения Ван ден Брука. Было обнаружено, что эффективный заряд ядра соответствует атомному номеру (Мозли обнаружил разницу зарядов только в одну единицу). Кульминацией этой работы в том же году стала модель атома Бора , подобная солнечной системе , в которой ядро, содержащее атомное число положительных зарядов, окружено равным количеством электронов в орбитальных оболочках. Подобно тому, как модель Томсона руководила экспериментами Резерфорда, модель Бора руководила исследованиями Мозли. Модель Бора была разработана во времена «старой квантовой теории », а затем вытеснена полноценным развитием квантовой механики. [18] [19]
Модель сливового пудинга, являющаяся важным примером научной модели , послужила мотивацией и руководством для нескольких связанных научных проблем.
Особенно полезная математическая задача, связанная с моделью сливового пудинга, — это оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемая проблемой Томсона . Проблема Томсона является естественным следствием модели сливового пудинга при отсутствии его однородного положительного фонового заряда. [20] [21]
Хотя модель Томсона уже давно устарела в квантовой механике, его проблема размещения зарядов на сфере все еще заслуживает внимания.