WikiDer > Сливовый пудинг модель

Plum pudding model
Модель атома сливового пудинга
Текущая модель субатомной структуры включает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электронов.

В сливовый пудинг модель один из нескольких исторических научные модели из атом. Впервые предложено Дж. Дж. Томсон в 1904 г.[1] вскоре после открытия электрон, но до открытия атомное ядро, модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: электроны являются отрицательно заряженными частицами и что атомы не имеют чистого электрического заряда. Модель сливового пудинга имеет электроны, окруженные объемом положительного заряда, как отрицательно заряженные «сливы», заключенные в положительно заряженный элемент.пудинг".

Обзор

В этой модели было известно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов. Хотя Томсон их называл "тельца", их чаще называли" электронами ", которые Дж. Дж. Стони предложена в качестве «основной единицы количества электричества» в 1891 году.[2] В то время было известно, что атомы не имеют чистого электрического заряда. Чтобы объяснить это, Томсон знал, что атомы также должны иметь источник положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд электронов. Он рассмотрел три вероятные модели, которые соответствовали бы известным тогда свойствам атомов:[нужна цитата]

  1. Каждый отрицательно заряженный электрон был соединен с положительно заряженной частицей, которая следовала за ним повсюду в атоме.
  2. Отрицательно заряженные электроны вращались вокруг центральной области положительного заряда, имеющего ту же величину, что и общий заряд всех электронов.
  3. Отрицательные электроны занимали область пространства, которая была однородно положительно заряжена (часто рассматриваемая как своего рода «суп» или «облако» положительного заряда).

Томсон выбрал третью возможность как наиболее вероятную структуру атомов. Томсон опубликовал предложенную модель в мартовском выпуске журнала 1904 г. Философский журнал, ведущий британский научный журнал того времени. По мнению Томсона:

... атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул, заключенных в сферу однородной положительной электризации, ...[3]

Используя эту модель, Томсон отказался от своей гипотезы о «туманном атоме» 1890 года, основанной на вихревой атомной теории, в которой атомы состоят из нематериальных вихрей, и предположил, что существует сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов.[4]:44–45 Будучи проницательным и практичным ученым, Томсон основал свою атомную модель на известных экспериментальных данных того времени. Его предложение о положительном объемном заряде отражает природу его научного подхода к открытию, который должен был предложить идеи для руководства будущими экспериментами.

В этой модели орбиты электронов были стабильными, потому что, когда электрон удалялся от центра положительно заряженной сферы, он подвергался большей суммарной положительной внутренней силе, потому что внутри его орбиты было больше положительного заряда (см. Закон Гаусса). Электроны могли свободно вращаться в кольцах, которые дополнительно стабилизировались за счет взаимодействия между электронами, а спектроскопические измерения предназначались для учета разницы в энергии, связанной с разными электронными кольцами. Томсон безуспешно пытался изменить свою модель, чтобы учесть некоторые из основных спектральные линии экспериментально известны несколько элементов.[нужна цитата]

Модель сливового пудинга полезна для своего ученика, Эрнест Резерфорд, чтобы разработать эксперименты для дальнейшего изучения состава атомов. Также модель Томсона (наряду с аналогичной Модель кольца Сатурна для атомных электронов выдвинут в 1904 г. Нагаока после Джеймс Клерк Максвеллс модель колец Сатурна) были полезными предшественниками более правильных, подобных солнечной системе Модель Бора атома.

Разговорное прозвище «сливовый пудинг» вскоре было приписано модели Томсона, поскольку распределение электронов в положительно заряженной области пространства напомнило многим ученым о изюм, которые в обычном английском десерте назывались "сливы", сливовый пудинг.

В 1909 г. Ганс Гейгер и Эрнест Марсден проведенный эксперименты с тонкими листами золота. Их профессор Эрнест Резерфорд ожидал найти результаты, согласующиеся с атомной моделью Томсона. Только в 1911 году Резерфорд правильно интерпретировал результаты эксперимента.[5][6] что подразумевало наличие очень маленького ядра положительного заряда в центре атомов золота. Это привело к развитию Модель Резерфорда атома. 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. Генри Мозлиэксперименты 1913 г. (см. Закон Мозли) предоставил необходимые доказательства в поддержку предложения Ван ден Брука. Было обнаружено, что эффективный заряд ядра согласуется с атомным номером (Мозли нашел только одну единицу разности зарядов). Кульминацией этой работы стала модель атома Бора, подобная солнечной системе (но с квантовыми ограничениями), в том же году, в которой ядро, содержащее атомный номер положительных зарядов, окружено равным числом электронов в орбитальных оболочках. Поскольку модель Томсона руководила экспериментами Резерфорда, модель Бора направляла исследования Мозли.

Связанные научные проблемы

Модель сливового пудинга с одним электроном частично была использована физиком. Артур Эрих Хаас в 1910 г. для оценки численного значения Постоянная Планка и Радиус Бора атомов водорода. Работа Хааса оценила эти значения с точностью до порядка величины и предшествовала работе Нильс Бор на три года. Следует отметить, что сама модель Бора дает разумные предсказания только для атомных и ионный системы с одним эффективным электроном.

Особенно полезная математическая задача, связанная с моделью сливового пудинга, - это оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемое Проблема Томсона. Проблема Томсона является естественным следствием модели сливового пудинга в отсутствие его однородного положительного фонового заряда.[7]

Классическая электростатическая обработка электронов, ограниченных сферическими квантовые точки также аналогична их обработке в модели сливового пудинга.[8][9] В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрик сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели сливового пудинга), в которой находятся свободные или избыточные электроны. Электростатические N-электронные конфигурации оказались исключительно близкими к решениям, найденным в задаче Томсона с электронами, находящимися на том же радиусе внутри диэлектрической сферы. Примечательно, что график распределения зависящей от геометрии энергии, как было показано, имеет поразительное сходство с распределением ожидаемых электронных орбиталей в естественных атомах, расположенных на периодическая таблица элементов.[9] Большой интерес представляет то, что решения задачи Томсона демонстрируют это соответствующее распределение энергии путем сравнения энергии каждого N-электронного решения с энергией его соседнего (N-1) -электронного решения с одним зарядом в начале координат. Однако при рассмотрении в рамках модели диэлектрической сферы особенности распределения становятся гораздо более выраженными и обеспечивают большую точность.[требуется разъяснение] относительно расположения электронных орбит в реальных атомах.[10]

Рекомендации

  1. ^ "Модель сливового пудинга". Вселенная сегодня. 27 августа 2009 г.. Получено 19 декабря 2015.
  2. ^ О'Хара, Дж. Г. (март 1975 г.). «Джордж Джонстон Стоуни, F.R.S. и концепция электрона». Примечания и отчеты Лондонского королевского общества. Королевское общество. 29 (2): 265–276. Дои:10.1098 / рснр.1975.0018. JSTOR 531468.
  3. ^ Томсон, Дж. Дж. (Март 1904 г.). "О строении атома: исследование устойчивости и периодов колебаний ряда корпускул, расположенных через равные промежутки времени по окружности круга; с применением результатов к теории строения атома" (PDF). Философский журнал. Шестое. 7 (39): 237–265. Дои:10.1080/14786440409463107.
  4. ^ Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики двадцатого века (Перепечатка ред.). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691095523.
  5. ^ Анджело, Джозеф А. (2004). Ядерные технологии. Гринвуд Паблишинг. п. 110. ISBN 978-1-57356-336-9.
  6. ^ Солпитер, Эдвин Э. (1996). Лахтакия, Ахлеш (ред.). Модели и разработчики водорода. Американский журнал физики. 65. World Scientific. С. 933–934. Bibcode:1997AmJPh..65..933L. Дои:10.1119/1.18691. ISBN 978-981-02-2302-1.
  7. ^ Левин, Ю .; Арензон, Дж. Дж. (2003). «Почему заряды попадают на поверхность: обобщенная проблема Томсона». Europhys. Латыш. 63 (3): 415–418. arXiv:cond-mat / 0302524. Bibcode:2003ЭЛ ..... 63..415Л. Дои:10.1209 / epl / i2003-00546-1.
  8. ^ Беднарек, С .; Szafran, B .; Адамовски Дж. (1999). «Многоэлектронные искусственные атомы». Phys. Ред. B. 59 (20): 13036–13042. Bibcode:1999ПхРвБ..5913036Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.59.13036.
  9. ^ а б Лафэйв, Т., младший (2013). «Соответствие классической электростатической задачи Томсона и электронной структуры атома». J. Электростатика. 71 (6): 1029–1035. arXiv:1403.2591. Дои:10.1016 / j.elstat.2013.10.001.
  10. ^ Лафэйв, Т. младший (2014). «Дискретные преобразования в проблеме Томсона». J. Электростатика. 72 (1): 39–43. arXiv:1403.2592. Дои:10.1016 / j.elstat.2013.11.007.