stringtranslate.com

Модель сливового пудинга

Модель атома в виде сливового пудинга
Текущая модель субатомной структуры предполагает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электронов.

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 ».

Обзор

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]

Сливовый пудинг

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]

Связанные научные проблемы

Модель сливового пудинга, являющаяся важным примером научной модели , послужила мотивацией и руководством для нескольких связанных научных проблем.

Математическая задача Томсона

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]

Рекомендации

  1. ^ "Модель сливового пудинга" . Вселенная сегодня . 27 августа 2009 года . Проверено 19 декабря 2015 г.
  2. ^ О'Хара, JG (март 1975 г.). «Джордж Джонстон Стоуни, ФРС, и концепция электрона». Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 29 (2): 265–276. дои : 10.1098/rsnr.1975.0018. JSTOR  531468. S2CID  145353314.
  3. ^ «Открытие электрона и ядра (статья)» . Ханская академия . Проверено 9 февраля 2021 г.
  4. ^ Альвиар-Агнью, Марисса; Агнью, Генри (4 апреля 2016 г.). «4.3: Ядерный атом». Вводная химия . Либретексты . Проверено 9 февраля 2021 г.
  5. ^ Аб Томсон, Джей-Джей (март 1904 г.). «О структуре атома: исследование стабильности и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности круга; с применением результатов к теории атомной структуры». Философский журнал . Шестая серия. 7 (39): 237–265. дои : 10.1080/14786440409463107. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  6. ^ Дорогая, Гиора; Гольдштейн, Бернард Р. (2013). «Атомная модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона: создание научного мифа». Аннален дер Физик . 525 (8–9): А129–А133. Бибкод : 2013AnP...525A.129H. дои : 10.1002/andp.201300732 .
  7. ^ Томсон, Джей-Джей (декабрь 1899 г.). «О массах ионов в газах при низких давлениях». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 48 (295): 547–567. дои : 10.1080/14786449908621447.
  8. ^ Томсон, Уильям (1869). «О вихревых атомах». Труды Королевского общества Эдинбурга . 6 : 94–105. дои : 10.1017/S0370164600045430.
  9. ^ Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики двадцатого века (переиздание). Издательство Принстонского университета . стр. 43–45. ISBN 978-0691095523.
  10. ^ Модели атома, Майкл Фаулер, Университет Вирджинии https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  11. ^ Кумар, Манджит, Квантовый Эйнштейн, Бор и великие дебаты, ISBN 978-0393339888 , 2008. 
  12. ^ скорая помощь (1908). «Корпускулярная теория материи». Природа . 77 (2005): 505–506. Бибкод : 1908Natur..77..505R. дои : 10.1038/077505a0. S2CID  36356538.
  13. ^ Модели атома, Майкл Фаулер, Университет Вирджинии https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  14. ^ Томсон, Джей-Джей (1904). Электричество и материя. Лекции памяти г-жи Хепса Эли Силлиман. Нью-Хейвен: Издательство Йельского университета . ISBN 978-0-686-83533-2.
  15. ^ Дорогая, Гиора; Гольдштейн, Бернард Р. (2013). «Атомная модель сливового пудинга Дж. Дж. Томсона: создание научного мифа». Аннален дер Физик . 525 (8–9): А129–А133. Бибкод : 2013AnP...525A.129H. дои : 10.1002/andp.201300732 .
  16. ^ Анджело, Джозеф А. (2004). Ядерные технологии . Издательство Гринвуд . п. 110. ИСБН 978-1-57356-336-9.
  17. ^ Хейлброн, Джон Л. (2013). «Путь к квантовому атому». Природа . 498 (7452): 27–30. дои : 10.1038/498027a. PMID  23739408. S2CID  4355108.
  18. ^ Хентшель, Клаус (2009). «Эффект Зеемана». В Гринбергере, Дэниел; Хентшель, Клаус; Вайнерт, Фридель (ред.). Сборник квантовой физики . Берлин, Гейдельберг: Springer. стр. 862–864. дои : 10.1007/978-3-540-70626-7_241. ISBN 978-3-540-70622-9.
  19. ^ Эккерт, Майкл (апрель 2014 г.). «Как Зоммерфельд расширил модель атома Бора (1913–1916)». Европейский физический журнал H . 39 (2): 141–156. Бибкод : 2014EPJH...39..141E. дои : 10.1140/epjh/e2013-40052-4. S2CID  256006474.
  20. ^ Левин, Ю.; Арензон, Джей-Джей (2003). «Почему заряды уходят на поверхность: обобщенная проблема Томсона». Еврофиз. Летт . 63 (3): 415–418. arXiv : cond-mat/0302524 . Бибкод : 2003EL.....63..415L. doi : 10.1209/epl/i2003-00546-1. S2CID  250764497.
  21. ^ Рот, Дж. (24 октября 2007 г.). «Описание высокосимметричного многогранника, наблюдаемого в задаче Томсона о зарядах на гиперсфере». Физический обзор E . 76 (4): 047702. Бибкод : 2007PhRvE..76d7702R. doi : 10.1103/PhysRevE.76.047702. ISSN  1539-3755. PMID  17995142. Хотя модель Томсона уже давно устарела в квантовой механике, его проблема размещения зарядов на сфере все еще заслуживает внимания.