Das Thomsons Atommodell Es wurde von dem berühmten englischen Physiker J. J. Thomson geschaffen, der das Elektron entdeckte. Für diese Entdeckung und seine Arbeit zur elektrischen Leitung in Gasen erhielt er 1906 den Nobelpreis für Physik.
Aus seiner Arbeit mit Kathodenstrahlen wurde klar, dass das Atom keine unteilbare Einheit war, wie Dalton im vorherigen Modell postuliert hatte, sondern dass es eine genau definierte innere Struktur enthielt..
Thomson machte ein Modell des Atoms basierend auf den Ergebnissen seiner Experimente mit Kathodenstrahlen. Darin stellte er fest, dass das elektrisch neutrale Atom aus gleich großen positiven und negativen Ladungen bestand..
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Laut Thomson war die positive Ladung im gesamten Atom verteilt und die negativen Ladungen waren wie Rosinen in einem Pudding darin eingebettet. Aus diesem Vergleich ging der Begriff "Rosinenpudding" hervor, wie das Modell informell genannt wurde..
Obwohl Thomsons Idee heute ziemlich primitiv aussieht, war sie für seine Zeit ein neuartiger Beitrag. Während des kurzen Lebens des Modells (von 1904 bis 1910) wurde es von vielen Wissenschaftlern unterstützt, obwohl viele andere es als Häresie betrachteten.
Schließlich tauchten 1910 neue Beweise für die Atomstruktur auf, und Thomsons Modell fiel schnell zur Seite. Dies geschah, sobald Rutherford die Ergebnisse seiner Streuexperimente veröffentlichte, die die Existenz des Atomkerns enthüllten..
Das Thomson-Modell war jedoch das erste, das die Existenz subatomarer Partikel postulierte, und seine Ergebnisse waren das Ergebnis feiner und strenger Experimente. Auf diese Weise setzte er den Präzedenzfall für alle folgenden Entdeckungen..
Thomson gelangte aufgrund mehrerer Beobachtungen zu seinem Atommodell. Das erste war, dass die von Röntgen neu entdeckten Röntgenstrahlen Luftmoleküle ionisieren konnten. Bis dahin war die einzige Möglichkeit zur Ionisierung die chemische Trennung von Ionen in einer Lösung..
Dem englischen Physiker gelang es jedoch, selbst einatomige Gase wie Helium mithilfe von Röntgenstrahlen erfolgreich zu ionisieren. Dies ließ ihn glauben, dass die Ladung im Inneren des Atoms getrennt werden könne und daher nicht unteilbar sei. Er beobachtete auch, dass Kathodenstrahlen dies könnten durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden.
Deshalb entwickelte Thomson ein Modell, das die Tatsache richtig erklärte, dass das Atom elektrisch neutral ist und dass Kathodenstrahlen aus negativ geladenen Teilchen bestehen..
Unter Verwendung experimenteller Beweise charakterisierte Thomson das Atom wie folgt:
-Das Atom ist eine elektrisch neutrale feste Kugel mit einem Radius von ungefähr 10-10 m.
-Die positive Ladung ist mehr oder weniger gleichmäßig über die Kugel verteilt.
-Das Atom enthält negativ geladene "Körperchen", die seine Neutralität gewährleisten..
-Diese Körperchen sind für alle Materie gleich.
-Wenn das Atom im Gleichgewicht ist, gibt es n Korpuskel, die regelmäßig in Ringen innerhalb der Sphäre der positiven Ladung angeordnet sind.
-Die Masse des Atoms ist gleichmäßig verteilt.
Thomson führte seine Experimente mit 1859 entdeckten Kathodenstrahlen durch. Kathodenstrahlen sind Bündel negativ geladener Teilchen. Zur Herstellung werden Vakuumglasröhren verwendet, in die zwei Elektroden eingesetzt werden Kathode Y. Anode.
Dann wird ein elektrischer Strom geleitet, der die Kathode erwärmt und auf diese Weise unsichtbare Strahlung abgibt, die direkt auf die gegenüberliegende Elektrode gerichtet ist..
Um Strahlung zu erfassen, die nichts anderes als Kathodenstrahlen ist, wird die Wand der Röhre hinter der Anode mit einem fluoreszierenden Material bedeckt. Wenn die Strahlung dort ankommt, gibt die Wand der Röhre eine intensive Leuchtkraft ab.
Wenn ein fester Gegenstand den Kathodenstrahlen im Weg steht, wirft er einen Schatten auf die Wand der Röhre. Dies zeigt an, dass sich die Strahlen in einer geraden Linie bewegen und dass sie leicht blockiert werden können..
Die Natur der Kathodenstrahlen wurde ausführlich diskutiert, da ihre Natur unbekannt war. Einige dachten, es handele sich um elektromagnetische Wellen, während andere argumentierten, sie seien Teilchen..
Thomsons Atommodell ist, wie gesagt, das erste, das die Existenz subatomarer Teilchen postuliert. Thomsons Körperchen sind nichts anderes als Elektronen, die fundamentalen negativ geladenen Teilchen des Atoms..
Wir wissen derzeit, dass die beiden anderen fundamentalen Teilchen das positiv geladene Proton und das ungeladene Neutron sind..
Diese wurden jedoch zu dem Zeitpunkt, als Thomson sein Modell entwickelte, nicht entdeckt. Die positive Ladung im Atom war darin verteilt, es wurden keine Teilchen berücksichtigt, die diese Ladung trugen, und im Moment gab es keine Hinweise auf ihre Existenz.
Aus diesem Grund hatte sein Modell eine flüchtige Existenz, da Rutherfords Streuexperimente im Laufe einiger Jahre den Weg für die Entdeckung des Protons ebneten. Und was das Neutron betrifft, so schlug Rutherford selbst seine Existenz einige Jahre vor seiner endgültigen Entdeckung vor..
Sir William Crookes (1832-1919) entwarf die Röhre, die um 1870 seinen Namen trägt, mit der Absicht, die Natur der Kathodenstrahlen sorgfältig zu untersuchen. Er fügte elektrische Felder und Magnetfelder hinzu und beobachtete, dass die Strahlen von diesen abgelenkt wurden.
So stellten Crookes und andere Forscher, einschließlich Thomson, fest, dass:
Diese Beobachtungen haben die Diskussion über den Ursprung von Kathodenstrahlen angeheizt. Diejenigen, die behaupteten, es handele sich um Wellen, beruhten auf der Tatsache, dass sich Kathodenstrahlen in einer geraden Linie bewegen konnten. Darüber hinaus erklärte diese Hypothese sehr gut den Schatten, den ein zwischengeschaltetes festes Objekt auf die Wand der Röhre warf, und unter bestimmten Umständen war bekannt, dass die Wellen Fluoreszenz verursachen könnten.
Andererseits wurde nicht verstanden, wie es Magnetfeldern möglich war, Kathodenstrahlen abzulenken. Dies könnte nur erklärt werden, wenn diese Strahlen als Teilchen betrachtet würden, eine Hypothese, die Thomson teilte..
Ein geladenes Teilchen mit der Ladung q erfährt eine Kraft Fe in der Mitte eines gleichmäßigen elektrischen Feldes E von der Größe:
Fe = qE
Wenn ein geladenes Teilchen senkrecht ein gleichmäßiges elektrisches Feld kreuzt, wie es zwischen zwei Platten mit entgegengesetzten Ladungen erzeugt wird, erfährt es eine Ablenkung und folglich eine Beschleunigung:
qE = ma
a = qE / m
Wenn sich andererseits das geladene Teilchen mit einer Geschwindigkeit der Größe v in der Mitte eines gleichmäßigen Magnetfelds der Größe B bewegt, hat die Magnetkraft Fm, die es erfährt, die folgende Intensität:
Fm = qvB
Solange die Geschwindigkeits- und Magnetfeldvektoren senkrecht sind. Wenn ein geladenes Teilchen senkrecht auf ein homogenes Magnetfeld trifft, erfährt es ebenfalls eine Ablenkung und seine Bewegung ist gleichmäßig kreisförmig.
Die zentripetale Beschleunigung beic in diesem Fall ist es:
qvB = mac
Die zentripetale Beschleunigung hängt wiederum mit der Geschwindigkeit des Teilchens v und dem Radius R der Kreisbahn zusammen:
zuc = vzwei/ R.
Deshalb:
qvB = mvzwei/ R.
Der Radius der Kreisbahn könnte wie folgt berechnet werden:
R = mv / qB
Diese Gleichungen werden später verwendet, um die Art und Weise nachzubilden, wie Thomson die Ladung-Masse-Beziehung des Elektrons abgeleitet hat..
Thomson ließ einen Strahl von Kathodenstrahlen, einen Elektronenstrahl, obwohl er ihn noch nicht kannte, durch gleichmäßige elektrische Felder durch. Diese Felder werden zwischen zwei geladenen leitenden Platten erzeugt, die durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt sind.
Er leitete auch Kathodenstrahlen durch ein gleichmäßiges Magnetfeld und beobachtete die Wirkung, die dies auf den Strahl hatte. Sowohl auf dem einen als auch auf dem anderen Feld gab es eine Ablenkung der Strahlen, die Thomson zu der richtigen Annahme veranlasste, dass der Strahl aus geladenen Teilchen bestand.
Um dies zu überprüfen, führte Thomson verschiedene Strategien mit Kathodenstrahlen durch:
Thomson stellte fest, dass das Ladungs-Massen-Verhältnis der Teilchen, aus denen der Kathodenstrahl besteht, den folgenden Wert hat:
q / m = 1,758820 × 10 11 C.kg-1.
Wobei q die Ladung des "Korpuskels" darstellt, der eigentlich das Elektron ist und m ist die Masse davon. Thomson folgte dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Verfahren, das wir hier Schritt für Schritt mit den von ihm verwendeten Gleichungen neu erstellen.
Gleichen Sie die elektrische Kraft und die magnetische Kraft aus, indem Sie den Strahl durch die senkrechten elektrischen und magnetischen Felder leiten:
qvB = qE
Bestimmen Sie die Geschwindigkeit, die die Partikel im Strahl erfassen, wenn sie direkt ohne Ablenkung passieren:
v = E / B.
Löschen Sie das elektrische Feld und lassen Sie nur das Magnetfeld übrig (jetzt gibt es eine Ablenkung):
R = mv / qB
Mit v = E / B ergibt sich:
R = mE / qBzwei
Der Radius der Umlaufbahn kann daher gemessen werden:
q / m = v / RB
Ach ja:
q / m = E / RBzwei
Als nächstes maß Thomson das q / m-Verhältnis mit Kathoden aus verschiedenen Materialien. Wie bereits erwähnt, emittieren alle Metalle Kathodenstrahlen mit identischen Eigenschaften..
Dann verglich Thomson seine Werte mit denen des Verhältnisses q / m des Wasserstoffions, das durch Elektrolyse erhalten wurde und dessen Wert ungefähr 1 × 10 beträgt8 C / kg. Das Ladungs-Massen-Verhältnis des Elektrons beträgt ungefähr das 1750-fache des Wasserstoffions.
Daher hatten die Kathodenstrahlen eine viel größere Ladung oder vielleicht eine Masse, die viel geringer als die des Wasserstoffions war. Das Wasserstoffion ist einfach ein Proton, dessen Existenz lange nach Rutherfords Streuexperimenten bekannt wurde..
Heute ist bekannt, dass das Proton fast 1800-mal massereicher als das Elektron ist und eine Ladung der gleichen Größe und des entgegengesetzten Vorzeichens wie das Elektron aufweist..
Ein weiteres wichtiges Detail ist, dass Thomsons Experimente weder die elektrische Ladung des Elektrons noch den Wert seiner Masse separat direkt bestimmten. Diese Werte wurden durch Millikans Experimente bestimmt, die 1906 begannen..
Der grundlegende Unterschied dieser beiden Modelle besteht darin, dass Dalton dachte, das Atom sei eine Kugel. Im Gegensatz zu Thomson schlug er keine positiven oder negativen Ladungen vor. Für Dalton sah ein Atom so aus:
Wie wir zuvor gesehen haben, dachte Thomson, dass das Atom teilbar sei und dessen Struktur von einer positiven Kugel und Elektronen um ihn herum gebildet werde.
Zu dieser Zeit gelang es Thomsons Atommodell, das chemische Verhalten von Substanzen sehr gut zu erklären. Er erklärte auch die Phänomene, die in der Kathodenstrahlröhre auftraten, richtig.
Tatsächlich nannte Thomson seine Teilchen nicht einmal "Elektronen", obwohl der Begriff bereits zuvor von George Johnstone Stoney geprägt worden war. Thomson nannte sie einfach "Körperchen"..
Obwohl Thomson alle ihm damals zur Verfügung stehenden Kenntnisse nutzte, weist sein Modell einige wichtige Einschränkungen auf, die sich sehr früh bemerkbar machten:
-Die positive Ladung ist nicht im gesamten Atom verteilt. Rutherford-Streuexperimente zeigten, dass die positive Ladung des Atoms notwendigerweise auf einen kleinen Bereich des Atoms beschränkt ist, der später als Atomkern bekannt wurde..
-Elektronen haben eine spezifische Verteilung innerhalb jedes Atoms. Die Elektronen sind nicht gleichmäßig verteilt, wie die Rosinen im berühmten Pudding, aber sie haben eine Anordnung in Orbitalen, die spätere Modelle enthüllten.
Es ist genau die Anordnung der Elektronen innerhalb des Atoms, die es ermöglicht, die Elemente nach ihren Eigenschaften und Eigenschaften im Periodensystem zu organisieren. Dies war eine wichtige Einschränkung des Thomson-Modells, die nicht erklären konnte, wie es möglich war, die Elemente auf diese Weise zu ordnen..
-Der Atomkern enthält den größten Teil der Masse. Thomsons Modell postulierte, dass die Masse des Atoms gleichmäßig darin verteilt war. Aber heute wissen wir, dass die Masse des Atoms praktisch in den Protonen und Neutronen des Kerns konzentriert ist..
Es ist auch wichtig anzumerken, dass dieses Modell des Atoms keinen Rückschluss auf die Art der Bewegung zuließ, die die Elektronen innerhalb des Atoms hatten..
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