نموذج تومسون الذري: الخصائص ، التجارب ، المسلمات

تم التعرف على النموذج الذري لطومسون في العالم لإعطاء الضوء الأول على تكوين البروتونات والإلكترونات داخل بنية الذرة. من خلال هذا الاقتراح ، اقترح طومسون أن الذرات كانت موحدة وتحتوي على شحنة موجبة بطريقة متجانسة ، مع رواسب عشوائية من الإلكترونات داخل كل ذرة.

لوصف ذلك ، قارن طومسون نموذجه مع بودنغ البرقوق. تم استخدام هذا التشبيه لاحقًا كاسم بديل للنموذج. ومع ذلك ، بسبب العديد من التناقضات (النظرية والتجريبية) حول توزيع الشحنات الكهربائية داخل الذرة ، تم التخلص من طراز طومسون في عام 1911.

الأصل

تم اقتراح هذا النموذج الذري بواسطة العالم الإنجليزي جوزيف جون "JJ" طومسون في عام 1904 ، بهدف شرح تركيب الذرات على أساس المفاهيم التي كانت معروفة في ذلك الوقت.

بالإضافة إلى ذلك ، كان طومسون مسؤولاً عن اكتشاف الإلكترون في نهاية القرن التاسع عشر. تجدر الإشارة إلى أن نموذج طومسون الذري تم اقتراحه بعد وقت قصير من اكتشاف الإلكترون ولكن قبل معرفة وجود نواة ذرية.

لذلك ، كان الاقتراح يتكون من تكوين مشتت لجميع الشحنات السالبة داخل الهيكل الذري والتي ، بدورها ، كانت تتكون من كتلة موحدة من الشحنة الموجبة.

ملامح

- الذرة لديها شحنة محايدة.

- هناك مصدر للشحنة الموجبة يحيد الشحنة سالبة للإلكترونات.

- يتم توزيع هذه الشحنة الإيجابية بالتساوي في الذرة.

- على حد تعبير طومسون: "الجسيمات المكهربة سالبًا" - أي الإلكترونات - موجودة داخل الكتلة الموحدة للشحنة الموجبة.

- يمكن أن تستمد الإلكترونات بحرية داخل الذرة.

- كان للإلكترونات مدارات مستقرة ، حجة تستند إلى قانون غاوس. إذا تحركت الإلكترونات عبر "الكتلة" الإيجابية ، فإن القوى الداخلية داخل الإلكترونات كانت متوازنة بواسطة الشحنة الإيجابية التي تم إنشاؤها تلقائيًا حول المدار.

- كان نموذج طومسون معروفًا في إنجلترا كنموذج لبودرة البرقوق ، لأن توزيع الإلكترون الذي اقترحه طومسون كان مشابهًا للتخلص من الخوخ في تلك الحلوى.

تجارب لتطوير النموذج

أجرى طومسون عدة اختبارات باستخدام أنابيب أشعة الكاثود لاختبار خصائص الجسيمات دون الذرية ووضع أسس نموذجه. أنابيب أشعة الكاثود عبارة عن أنابيب زجاجية تم إفراغ محتوى الهواء فيها بالكامل تقريبًا.

يتم تزويد هذه الأنابيب بالكهرباء بواسطة بطارية تستقطب الأنبوب ليكون له نهاية شحن سالبة (الكاثود) ونهاية موجبة الشحنة (الأنود).

كما أنها محكمة الغلق على كلا الجانبين وتخضع لمستويات عالية من الجهد عن طريق كهربة قطبين يوضعان على كاثود الجهاز. عن طريق هذا التكوين ، يتم تحفيز دوران شعاع الجسيمات من الكاثود إلى أنود الأنبوب.

أشعة الكاثود

يوجد أصل اسم هذا النوع من الأدوات ، حيث يطلق عليهم أشعة الكاثود بسبب نقطة خروج الجسيمات داخل الأنبوب. عن طريق طلاء أنود الأنبوب بمادة مثل الفسفور أو الرصاص ، يتم توليد رد فعل عند الطرف الإيجابي فقط عندما تصطدم به حزمة من الجزيئات.

في تجاربه ، حدد طومسون انحراف الحزمة في مسارها من الكاثود إلى القطب الموجب. في وقت لاحق ، حاول طومسون التحقق من صحة خصائص هذه الجسيمات: أساسا الشحنة الكهربائية والتفاعل بينهما.

وضع الفيزيائي الإنجليزي صفيحتين كهربائيتين مع شحن معاكس على الأطراف العلوية والسفلية للأنبوب بسبب هذا الاستقطاب ، تم تحويل الشعاع نحو لوحة مشحونة موجبة ، وضعت في المحطة العليا.

وبهذه الطريقة ، أوضح طومسون أن أشعة الكاثود كانت مكونة من جسيمات سالبة الشحنة ، بسبب شحنتها المعاكسة ، تم جذبها إلى اللوحة المشحونة إيجابياً.

التطور في البحث

طور طومسون افتراضاته ، وبعد هذا الاكتشاف ، وضع مغناطيسين على جانبي الأنبوب. أثر هذا الدمج أيضًا على بعض انحرافات أشعة الكاثود.

من خلال تحليل المجال المغنطيسي المرتبط ، استطاع طومسون تحديد نسبة الكتلة إلى الشحن من الجسيمات دون الذرية واكتشف أن كتلة كل جسيم دون ذري كانت ضئيلة مقارنة بالكتلة الذرية.

أنشأ JJ Thomson جهازًا سبق اختراع وكمال ما يعرف الآن باسم مطياف الكتلة.

يقوم هذا الجهاز بإجراء قياس دقيق إلى حد ما للعلاقة بين الكتلة وشحنة الأيونات ، والتي تعطي معلومات مفيدة للغاية لتحديد تكوين العناصر الموجودة في الطبيعة.

تكرار التجربة

أجرى طومسون نفس التجربة في مناسبات متعددة ، حيث قام بتعديل المعادن التي استخدمها لوضع الأقطاب الكهربائية في أنبوب أشعة الكاثود.

وأخيراً ، قرر أن خصائص الشعاع ظلت ثابتة ، بغض النظر عن المواد المستخدمة في الأقطاب الكهربائية. أي أن هذا العامل لم يكن محددًا في تنفيذ التجربة.

كانت دراسات طومسون مفيدة للغاية لشرح التركيب الجزيئي لبعض المواد ، وكذلك تكوين الروابط الذرية.

المسلمات

احتوى نموذج طومسون في بيان واحد على الاستنتاجات الإيجابية للعالم البريطاني جون دالتون بشأن التركيب الذري ، وألمح إلى وجود الإلكترونات داخل كل ذرة.

بالإضافة إلى ذلك ، أجرى طومسون أيضًا العديد من الدراسات على البروتونات في غاز النيون ، وبالتالي أظهر الحياد الكهربائي للذرات. ومع ذلك ، تم اقتراح الشحنة الموجبة على الذرة ككتلة موحدة وليس كجزيئات.

سمحت تجربة طومسون بالأشعة الكاثودية بإعلان الافتراضات العلمية التالية:

- يتكون أشعة الكاثود من جسيمات دون ذرية ذات شحنة سالبة. عرف طومسون في البداية هذه الجسيمات بأنها "جسيمات".

- تبلغ كتلة كل جسيم دون الذري 0.0005 أضعاف كتلة ذرة الهيدروجين.

- توجد هذه الجسيمات دون الذرية في جميع ذرات جميع عناصر الأرض.

- الذرات محايدة كهربائيا ؛ وهذا يعني أن الشحنة السالبة لـ "الجسيمات" تعادل الشحنة الإيجابية للبروتونات.

نموذج مثير للجدل

كان النموذج الذري لطومسون مثار جدل كبير داخل المجتمع العلمي ، حيث كان يتعارض مع نموذج دالتون الذري.

افترض الأخير أن الذرات كانت وحدات غير قابلة للتجزئة ، على الرغم من التركيبات التي قد تتولد أثناء التفاعلات الكيميائية.

لذلك ، لم يفكر دالتون في وجود جسيمات دون ذرية - مثل الإلكترونات - داخل الذرات.

في المقابل ، وجد طومسون نموذجًا جديدًا قدم تفسيرًا بديلًا للتكوين الذري ودون الذري ، بعد اكتشاف الإلكترون.

تم الكشف عن النموذج الذري لطومسون بسرعة بواسطة التشبيه مع الحلوى الإنجليزية الشهيرة "بودنغ البرقوق". ترمز كتلة البودنج إلى رؤية متكاملة للذرة ويمثل الخوخ كل من الإلكترونات التي تتكون منها الذرة.

القيود

يتمتع النموذج الذي اقترحه طومسون بشعبية كبيرة وقبول في ذلك الوقت ، وكان بمثابة نقطة انطلاق لاستكشاف التركيب الذري وتحسين التفاصيل المرتبطة به.

كان السبب الأكبر لقبول النموذج هو مدى تكيفه مع ملاحظات تجارب أشعة الكاثود في طومسون.

ومع ذلك ، فإن النموذج لديه فرص مهمة للتحسين من أجل شرح توزيع الشحنات الكهربائية داخل الذرة ، سواء الشحنات الإيجابية والسلبية.

تحقيقات رذرفود

في وقت لاحق ، في عقد 1910 ، واصلت المدرسة العلمية بقيادة طومسون التحقيقات في نماذج التركيب الذري.

هكذا حدد إرنست رذرفورد ، وهو طالب سابق في طومسون ، حدود نموذج تومسون الذري ، بصحبة الفيزيائي البريطاني إرنست مارسدن والفيزيائي الألماني هانز جيجر.

أجرى ثلاثي العلماء العديد من التجارب على جسيمات ألفا ، أي النواة المتأينة لجزيئات 4He ، دون محيط الإلكترونات.

يتكون هذا النوع من الجزيئات من بروتونين ونيوترونين ، ولهذا السبب تسود الشحنة الموجبة. يتم إنتاج جسيمات ألفا في التفاعلات النووية أو عن طريق تجارب التحلل الإشعاعي.

صمم رذرفورد ترتيبًا سمح بتقييم سلوك جسيمات ألفا عند عبور المواد الصلبة ، مثل صفائح الذهب على سبيل المثال.

في تحليل المسار ، تم اكتشاف أن بعض الجسيمات قدمت زاوية انحراف عند اختراق أوراق الذهب. في حالات أخرى ، كان هناك ارتداد طفيف أيضًا في عنصر التأثير.

بعد إجراء التحقيقات مع جسيمات ألفا ، تناقض رذرفود ومارسدن وجيجر مع نموذج طومسون الذري واقترحوا بنية ذرية جديدة بدلاً من ذلك.