Сливовый пудинг модель - Plum pudding model
Модель пудинга сливы является одним из нескольких исторических научных моделей в атоме . Впервые предложенная Дж. Дж. Томсоном в 1904 году вскоре после открытия электрона , но до открытия атомного ядра , модель пыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: электроны являются отрицательно заряженными 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 известно, что атомы содержат отрицательно заряженные субатомные частицы . Томсон называл их «корпускулами» ( частицами ), но чаще их называли «электронами» - это название, придуманное Г. Дж. Стони для « фундаментальной единицы количества электричества » в 1891 году. Также в течение многих лет было известно, что атомы имеют нет чистого электрического заряда. Томсон считал, что атомы должны также содержать некоторый положительный заряд, который нейтрализует отрицательный заряд его электронов. Томсон опубликовал свою предложенную модель в мартовском выпуске 1904 года Philosophical Magazine , ведущего британского научного журнала того времени. По мнению Томсона:
... атомы элементов состоят из ряда отрицательно наэлектризованных корпускул, заключенных в сферу однородной положительной электризации, ...
Используя эту модель, Томсон отказался от своей гипотезы 1890 года о «туманном атоме», которая была основана на вихревой теории атома , в которой атомы состоят из нематериальных вихрей, и предположил, что существует сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химические элементы. 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 чистой 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 спектральных линий, экспериментально известных для нескольких элементов.
Модель сливового пудинга послужила полезным руководством для его ученика Эрнеста Резерфорда при разработке экспериментов для дальнейшего изучения состава атомов. Кроме того , модель Томсона (наряду с аналогичной кольцевой модели сатурнианском для атомных электронов выдвинул в 1904 году Нагаока после Джеймса Клерка Максвелла «s модели колец Сатурна ) были полезными предшественниками более правильной солнечной системы как Бора модель атома.
Разговорное прозвище «сливовый пудинг» вскоре было приписано модели Томсона, поскольку распределение электронов в положительно заряженной области пространства напомнило многим ученым изюм , который тогда называли «сливами», в общем английском десерте, сливовом пудинге .
В 1909 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден провели 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, которые предполагали наличие очень маленького ядра с положительным зарядом в центре каждого атома золота. Это привело к развитию модели атома Резерфорда . 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 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. Как модель Томсона направляла эксперименты Резерфорда, модель Бора направляла исследования Мозли.
Связанные научные проблемы
Модель сливового пудинга с одним электроном была частично использована физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и радиуса Бора атомов водорода. В своей работе Хаас оценил эти значения с точностью до порядка и опередил работу Нильса Бора на три года. Следует отметить, что сама модель Бора дает разумные предсказания только для атомных и ионных систем с одним эффективным электроном.
Особенно полезная математическая проблема, 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 в отсутствие его однородного положительного фонового заряда.
Классическая электростатическая обработка электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками , также похожа на их обработку в модели сливового пудинга. В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрическая 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, как это расположено в периодической таблице элементов. Большой интерес представляет то, что решения задачи Томсона демонстрируют это соответствующее распределение энергии, сравнивая энергию 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 в отношении расположения электронных орбиталей в реальных атомах.