המודל האטומי של תומסון: מאפיינים, מוצבים, חלקיקים תת-אטומיים - גוּפָנִי - 2025

מודל האטום של תומסון נוצר על ידי ג'יי ג'יי הפיזיקאי האנגלי הנודע תומסון, אשר גילה את האלקטרון. על גילוי זה ועבודתו על הולכה חשמלית בגזים, הוענק לו פרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.

מתוך עבודתו עם קרני קתודה התברר כי האטום אינו ישות בלתי ניתנת לחלוקה, כפי שהציע דלטון במודל הקודם, אלא הכיל מבנה פנימי מוגדר היטב.

תומסון עשה מודל של האטום על סמך תוצאות הניסויים שלו עם קרני קתודה. בתוכו הצהיר כי האטום הנייטרלי החשמלי מורכב ממטענים חיוביים ושליליים בסדר גודל שווה.

איך נקרא המודל האטומי של תומסון ומדוע?

לדברי תומסון, המטען החיובי הופץ ברחבי האטום והמטענים השליליים הוטמעו בו כאילו היו צימוקים בפודינג. מהשוואה זו הגיע המונח "פודינג צימוקים", כפי שהיה ידוע הדגם באופן לא פורמלי.

ג'וזף ג'ון תומסון

למרות שהרעיון של תומסון נראה די פרימיטיבי כיום, באותה תקופה הוא ייצג תרומה רומן. במהלך חייו הקצרים של הדגם (משנת 1904 עד 1910) הייתה לו תמיכת מדענים רבים, אף שרבים אחרים חשבו זאת ככפירה.

לבסוף בשנת 1910 עלו ראיות חדשות לגבי מבנה אטומי, והמודל של תומסון נפל במהירות לצד. זה קרה ברגע שרטרפורד פרסם את תוצאות ניסויי הפיזור שלו, שגילו את קיומו של הגרעין האטומי.

עם זאת, המודל של תומסון היה הראשון שהניח את קיומם של חלקיקים תת-אטומיים ותוצאותיו היו פרי ניסויים עדינים וקפדניים. בדרך זו הוא קבע את התקדים לכל התגליות שבאו אחר כך.

מאפיינים ותנוחות של מודל תומסון

תומסון הגיע למודל האטומי שלו בהתבסס על מספר תצפיות. הראשון היה כי קרני הרנטגן שהתגלו לאחרונה על ידי רוגנטן היו מסוגלים ליינן מולקולות אוויר. עד אז, הדרך היחידה ליינן הייתה על ידי הפרדה כימית של יונים בתמיסה.

אולם הפיזיקאי האנגלי הצליח ליינן בהצלחה אפילו גזים מונומטיים כמו הליום, באמצעות קרני רנטגן, דבר זה הוביל אותו להאמין שניתן להפריד בין המטען בתוך האטום, ולכן לא ניתן לחלוקה. הוא גם ציין כי קרני הקתודה הם יכולים להיות מוסחים על ידי שדות חשמליים ומגנטיים.

ג'יי ג'יי תומסון, מגלה האלקטרון. מקור: Lifeder.

אז תומסון תכנן מודל שהסביר נכון את העובדה שהאטום הוא ניטרלי חשמלי וקרני הקתודה מורכבות מחלקיקים טעונים שלילית.

בעזרת עדויות ניסיוניות, תומסון איפיין את האטום באופן הבא:

האטום הוא כדור מוצק ניטרלי חשמלי, עם רדיוס משוער של ^10-10 מ '.

המטען החיובי מופץ בצורה אחידה פחות או יותר בכל התחום.

האטום מכיל "גופות" טעונות שלילית, המבטיחות את נייטרליותו.

-גופות אלה זהות לכל העניין.

-כאשר האטום נמצא בשיווי משקל, ישנם n גוויות מסודרות באופן קבוע בטבעות בתוך תחום המטען החיובי.

-מסת האטום מופצת באופן שווה.

קרני קתודה

קרן אלקטרונים מופנית מהקתודה לאנודה.

תומסון ביצע את הניסויים שלו באמצעות קרני קתודה שהתגלו בשנת 1859. קרני הקתודה הן צרורות של חלקיקים טעונים באופן שלילי. כדי לייצר אותם משתמשים בצינורות זכוכית ואקום, בהם מונחות שתי אלקטרודות, הנקראות קתודה ואנודה.

לאחר מכן מועבר זרם חשמלי המחמם את הקתודה אשר בדרך זו פולט קרינה בלתי נראית המופנית ישירות לאלקטרודה הנגדית.

לגילוי קרינה, שהיא לא אחרת מאשר קרני הקתודה, קיר הצינור שמאחורי האנודה מכוסה בחומר ניאון. כאשר הקרינה מגיעה לשם, דופן הצינור מפטירה אור בהיר.

אם חפץ מוצק נקלע לקרני הקתודה, הוא מטיל צל על קיר הצינור. זה מצביע על כך שהקרניים נעות בקו ישר, וגם שניתן לחסום אותן בקלות.

אופי קרני הקתודה נדון בהרחבה, מכיוון שטבעם לא היה ידוע. חלקם חשבו שהם גלים אלקטרומגנטיים, ואילו אחרים טענו כי מדובר בחלקיקים.

חלקיקים תת- אטומיים מהמודל האטומי של תומסון

המודל האטומי של תומסון הוא, כאמור, הראשון שמניח את קיומם של חלקיקים תת-אטומיים. הגופות של תומסון אינן אלא אלקטרונים, החלקיקים הבסיסיים הטעונים לשלילה.

אנו יודעים כעת ששני החלקיקים הבסיסיים האחרים הם הפרוטון הטעון חיובי והנויטרון הלא-טעון.

אך אלה לא התגלו באותה עת שתומסון פיתח את המודל שלו. המטען החיובי באטום הופץ בו, הוא לא שקל שום חלקיק שישא מטען זה וכרגע לא היו שום עדות לקיומו.

מסיבה זו היה לדגם שלו קיום חולף, שכן במהלך מספר שנים ניסויי הפיזור של רתרפורד סללו את הדרך לגילוי הפרוטון. ובאשר לנויטרון, רות'רפורד עצמו הציע את קיומו כמה שנים לפני שהתגלה סוף סוף.

צינור קרוקס

סר וויליאם קרוקס (1832-1919) עיצב את הצינור הנושא את שמו בסביבות 1870, מתוך כוונה ללמוד בקפידה את טיב קרני הקתודה. הוא הוסיף שדות חשמליים ושדות מגנטיים, וציין כי הקרניים הוסחו על ידן.

ערכת צינור קרן קתודה. מקור: נייט, ר.

באופן זה, קרוקס וחוקרים אחרים, כולל תומסון, מצאו כי:

1. זרם חשמלי נוצר בתוך צינור קרן הקתודה
2. הקרניים הוסבו על ידי נוכחות שדות מגנטיים, באותו אופן שבו היו חלקיקים טעונים לשלילה.
3. כל מתכת ששימשה לייצור הקתודה הייתה טובה באותה מידה בייצור קרני הקתודה, והתנהגותם לא הייתה תלויה בחומר.

תצפיות אלה הובילו את הדיון על מקורן של קרני הקתודה. אלה שקבעו שהם גלים התבססו על כך שקרני הקתודה יכולות לנוע בקו ישר. בנוסף, השערה זו הסבירה היטב את הצל שעצם אובייקט מוצק שהוצב על קיר הצינור ובנסיבות מסוימות, היה ידוע כי הגלים עלולים לגרום לקרינה.

אך במקום זאת לא הובן כיצד יתכן ששדות מגנטיים מסיטים את קרני הקתודה. ניתן היה להסביר זאת רק אם קרניים אלה נחשבות לחלקיקים, השערה שתומסון חלק.

חלקיקים טעונים בשדות חשמליים ומגנטיים אחידים

חלקיק טעון עם מטען q, חווה כוח Fe באמצע שדה חשמלי אחיד E בעוצמה:

Fe = qE

כאשר חלקיק טעון בניצב עובר דרך שדה חשמלי אחיד, כמו זה המיוצר בין שתי לוחות עם מטענים מנוגדים, הוא חווה סטיה, וכתוצאה מכך תאוצה:

qE = ma

a = qE / m

לעומת זאת, אם החלקיק הטעון נע עם מהירות בעוצמה v, באמצע שדה מגנטי אחיד בעוצמה B, לכוח המגנטי Fm שהוא חווה יש את העוצמה הבאה:

Fm = qvB

כל עוד וקטורי המהירות והשדה המגנטי הם בניצב. כאשר חלקיק טעון ניצב לשדה מגנטי הומוגני, הוא גם חווה סטיה ותנועתו אחידה.

ההאצה הצנטריפטלית a _c במקרה זה היא:

qvB = ma _c

בתורו, האצת הצנטריפטלית קשורה למהירות החלקיק v ולרדיוס R של הנתיב המעגלי:

a _c = v ² / R

לכן:

qvB = mv ² / R

ניתן לחשב את רדיוס הנתיב המעגלי כך:

R = mv / qB

בהמשך, משוואות אלה ישמשו כדי ליצור מחדש את האופן בו תומסון הוציא את יחסי המטען-מסה של האלקטרון.

הניסוי של תומסון

תומסון העביר קרן של קרני קתודה, קרן אלקטרונים, אם כי טרם ידע זאת, דרך שדות חשמליים אחידים. שדות אלה נוצרים בין שתי צלחות מוליכות טעונות המופרדות במרחק קטן.

הוא גם העביר קרני קתודה דרך שדה מגנטי אחיד, וצפה בהשפעה שהייתה על הקורה. בשדה אחד כמו גם בשני, הייתה סטיה בקרניים, מה שגרם לתומסון לחשוב, נכון, שהקרן מורכבת מחלקיקים טעונים.

כדי לאמת זאת, תומסון ביצע כמה אסטרטגיות עם קרני קתודה:

1. הוא גוון את השדות החשמליים והמגנטיים עד לביטול הכוחות. בדרך זו עברו קרני הקתודה מבלי לחוות סטיה. על ידי השוואה בין הכוחות החשמליים והמגנטיים, תומסון הצליח לקבוע את מהירות החלקיקים בקורה.
2. זה ביטל את עוצמת השדה החשמלי, בדרך זו החלקיקים הלכו בדרך מעגלית באמצע השדה המגנטי.
3. הוא שילב את התוצאות של שלבים 1 ו -2 כדי לקבוע את יחסי המטען והמסה של "הגופות".

יחס הטעינה-מסה של האלקטרון

תומסון קבע כי ליחס המסה-מטען של החלקיקים המרכיבים את קרן קרן הקתודה יש ​​את הערך הבא:

q / m = 1.758820 x 10 11 C.kg-1.

כאשר q מייצג את המטען של "הגופה", שהיא למעשה האלקטרון, ו- m הוא המסה שלו. תומסון עקב אחר הנוהל שתואר בסעיף הקודם, אותו אנו משחזרים כאן צעד אחר צעד, עם המשוואות בהן השתמש.

כאשר קרני הקתודה עוברות בשדות החשמליים והמגנטיים החוצים, הם עוברים ללא סטיה. כאשר ביטול השדה החשמלי הם פוגעים בחלק העליון של הצינור (השדה המגנטי מסומן על ידי הנקודות הכחולות בין האלקטרודות). מקור: נייט, ר.

שלב 1

שווים את הכוח החשמלי והכוח המגנטי, ומעביר את הקורה דרך השדות החשמליים והמגנטיים הניצב:

qvB = qE

שלב 2

קבע את המהירות שנרכשה על ידי החלקיקים בקורה כאשר הם עוברים ישירות ללא סטיה:

v = E / B

שלב 3

בטל את השדה החשמלי, והשאיר רק את השדה המגנטי (כעת יש סטיה):

R = mv / qB

עם v = E / B זה מתבטא:

R = mE / qB ²

ניתן למדוד את רדיוס המסלול, לכן:

q / m = v / RB

נו טוב:

q / m = E / RB ²

הצעדים הבאים

הדבר הבא שתומסון עשה היה למדוד את היחס ל- q / m באמצעות קתודות העשויות מחומרים שונים. כאמור, כל המתכות פולטות קרני קתודה בעלות מאפיינים זהים.

ואז השווה תומסון את ערכיהם עם הערכים של היחס q / m של יון המימן, המתקבל באמצעות אלקטרוליזה וערכו הוא 1 x 10 ⁸ צלזיוס / ק"ג. יחס מסת המטען של האלקטרון הוא כ- 1750 פעמים מזה של יון המימן.

לכן לקרני הקתודה היה מטען גדול בהרבה, או אולי מסה הרבה פחות מזו של יון המימן. יון המימן הוא פשוט פרוטון, שקיומו נודע זמן רב לאחר ניסויי הפיזור של רתרפורד.

כיום ידוע שהפרוטון מסיבי כמעט פי 1800 מהאלקטרון ועם מטען בסדר גודל שווה וסימן הפוך לזה של האלקטרון.

פרט חשוב נוסף הוא שעם הניסויים של תומסון המטען החשמלי של האלקטרון לא נקבע ישירות, וגם לא את ערך המסה שלו בנפרד. ערכים אלה נקבעו על ידי הניסויים של מיליקן, שהחלו בשנת 1906.

הבדלים בין מודל תומסון ודלטון

ההבדל המהותי של שני המודלים הללו הוא שדלטון חשב שהאטום הוא כדור. בניגוד לתומסון, הוא לא הציע קיומם של מטענים חיוביים או שליליים. עבור דלתון אטום נראה כך:

אטום דלטון

כפי שראינו בעבר, תומסון חשב שהאטום מתחלק, והמבנה שלו נוצר על ידי כדור חיובי ואלקטרונים סביבו.

פגמים ומגבלות במודל

באותה תקופה, המודל האטומי של תומסון הצליח להסביר היטב את התנהגותם הכימית של חומרים. הוא גם הסביר במדויק את התופעות שהתרחשו בצינור קרני הקתודה.

אך למעשה תומסון אפילו לא כינה את חלקיקיו "אלקטרונים", אם כי המונח כבר נטבע בעבר על ידי ג'ורג 'ג'ונסטון סטוני. תומסון פשוט כינה אותם "גופות".

למרות שתומסון עשה שימוש בכל הידע העומד לרשותו באותה תקופה, ישנם מספר מגבלות חשובות במודל שלו, שהתבררו כבר בשלב מוקדם מאוד:

- המטען החיובי אינו מופץ ברחבי האטום . ניסויי הפיזור של רתרפורד הראו כי המטען החיובי של האטום מוגבל בהכרח לאזור קטן של האטום, שלימים התפרסם כגרעין האטום.

- אלקטרונים יש תפוצה ספציפית בתוך כל אטום . האלקטרונים אינם מופצים באופן שווה, כמו הצימוקים בפודינג המפורסם, אלא במקום זאת יש סידור באורביטלים שדגמים מאוחרים יותר חשפו.

דווקא סידור האלקטרונים בתוך האטום מאפשר לארגן את היסודות לפי תכונותיהם ותכונותיהם בטבלה המחזורית. זו הייתה מגבלה חשובה של מודל תומסון, שלא יכול היה להסביר כיצד ניתן להזמין אלמנטים בדרך זו.

- הגרעין האטומי הוא זה שמכיל את רוב המסה. המודל של תומסון העלה את דבריו שמסת האטום מופצה באופן אחיד בתוכו. אך כיום אנו יודעים שמסת האטום מרוכזת למעשה בפרוטונים ובנויטרונים של הגרעין.

חשוב גם לציין שמודל זה של האטום לא אפשר להסיק את סוג התנועה שיש לאלקטרונים בתוך האטום.

מאמרי עניין

המודל האטומי של שרדינגר.

מודל האטומי של דה ברוגלי.

המודל האטומי של צ'אדוויק.

מודל אטומי של הייזנברג.

המודל האטומי של פרין.

המודל האטומי של דלתון.

מודל אטומי של דיראק ירדן.

מודל אטומי של דמוקריטוס.

המודל האטומי של בוהר.

מודל אטומי של זומרפלד.

הפניות

1. Andriessen, M. 2001. קורס HSC. פיזיקה 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. פיסיקה באוניברסיטה. עיתונות אקדמית.
3. Knight, R. 2017. פיזיקה למדעים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.
4. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון.
5. ויקיפדיה. המודל האטומי של תומסון. התאושש מ: es.wikipedia.org.