Mô hình nguyên tử của Thomson: Đặc điểm, thí nghiệm, định đề

Mô hình nguyên tử của Thomson được công nhận trên thế giới vì đã đưa ra ánh sáng đầu tiên về cấu hình của các proton và electron trong cấu trúc của nguyên tử. Thông qua đề xuất này, Thomson cho rằng các nguyên tử đồng nhất và chứa điện tích dương theo cách đồng nhất, với sự tích tụ ngẫu nhiên của các electron bên trong mỗi nguyên tử.

Để mô tả nó, Thomson đã so sánh mô hình của mình với bánh pudding mận. Simile này sau đó đã được sử dụng làm tên thay thế cho mô hình. Tuy nhiên, do một số mâu thuẫn (lý thuyết và thực nghiệm) về sự phân bố điện tích trong nguyên tử, mô hình Thomson đã bị loại bỏ vào năm 1911.

Nguồn gốc

Mô hình nguyên tử này được đề xuất bởi nhà khoa học người Anh Joseph John "JJ" Thomson vào năm 1904, với mục đích giải thích thành phần nguyên tử dựa trên các khái niệm đã được biết đến từ đó.

Ngoài ra, Thomson chịu trách nhiệm phát hiện ra electron vào cuối thế kỷ 19. Điều đáng chú ý là mô hình nguyên tử Thomson đã được đề xuất ngay sau khi phát hiện ra electron nhưng trước khi biết sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử.

Do đó, đề xuất bao gồm một cấu hình phân tán của tất cả các điện tích âm trong cấu trúc nguyên tử, đến lượt nó, được tạo thành từ một khối đồng nhất của điện tích dương.

Các tính năng

- Nguyên tử có điện tích trung tính.

- Có một nguồn điện tích dương trung hòa điện tích âm của các electron.

- Điện tích dương này phân bố đều trong nguyên tử.

- Theo lời của Thomson: "các tiểu thể bị nhiễm điện âm" - nghĩa là các electron - được chứa trong khối lượng đồng nhất của điện tích dương.

- Các electron có thể lấy được tự do bên trong nguyên tử.

- Các electron có quỹ đạo ổn định, lập luận dựa trên Định luật Gauss. Nếu các electron di chuyển qua "khối lượng" dương, thì nội lực bên trong các electron được cân bằng bởi điện tích dương được tạo ra tự động xung quanh quỹ đạo.

- Mô hình Thomson được biết đến phổ biến ở Anh như là một mô hình bánh pudding, vì phân phối điện tử do Thomson đề xuất tương tự như việc bố trí mận trong món tráng miệng đó.

Thí nghiệm để phát triển mô hình

Thomson đã tiến hành một số thử nghiệm với các ống tia catốt để kiểm tra tính chất của các hạt hạ nguyên tử và đặt nền móng cho mô hình của mình. Các ống tia cathode là các ống thủy tinh có hàm lượng không khí đã được làm trống gần như hoàn toàn.

Các ống này được điện khí hóa với một pin phân cực ống để có một đầu tích điện âm (cực âm) và một đầu tích điện dương (cực dương).

Chúng cũng được niêm phong ở cả hai bên và chịu mức điện áp cao bằng cách điện khí hóa hai điện cực đặt trên catốt của thiết bị. Bằng cách cấu hình này, sự lưu thông của một chùm hạt từ cực âm đến cực dương của ống được gây ra.

Tia Cathode

Có nguồn gốc tên của loại công cụ này, vì chúng được gọi là tia catốt do điểm thoát của các hạt bên trong ống. Bằng cách sơn cực dương của ống bằng vật liệu như phốt pho hoặc chì, một phản ứng được tạo ra ở đầu dương ngay khi chùm hạt va chạm với nó.

Trong các thí nghiệm của mình, Thomson đã xác định độ lệch của chùm tia trong đường đi của nó từ cực âm đến cực dương. Sau đó, Thomson đã cố gắng xác nhận tính chất của các hạt này: về cơ bản là điện tích và phản ứng giữa chúng.

Nhà vật lý người Anh đặt hai tấm điện với điện tích trái dấu ở đầu trên và dưới của ống. Do sự phân cực này, chùm tia được chuyển hướng về phía tấm tích điện dương, được đặt ở điểm dừng trên.

Bằng cách này, Thomson đã chứng minh rằng tia catốt được tạo thành từ các hạt tích điện âm, do điện tích trái dấu của chúng, bị hút vào tấm tích điện dương.

Sự phát triển trong nghiên cứu

Thomson đã phát triển các giả định của mình và sau phát hiện đó, đã đặt hai nam châm ở hai bên của ống. Sự kết hợp này cũng ảnh hưởng đến một số sai lệch của tia catốt.

Bằng cách phân tích từ trường liên quan, Thomson có thể xác định tỷ lệ khối lượng-điện tích của các hạt hạ nguyên tử và phát hiện ra rằng khối lượng của mỗi hạt hạ nguyên tử không đáng kể so với khối lượng nguyên tử.

JJ Thomson đã tạo ra một thiết bị đi trước phát minh và hoàn thiện cái mà ngày nay được gọi là máy quang phổ khối.

Thiết bị này thực hiện một phép đo khá chính xác về mối quan hệ giữa khối lượng và điện tích của các ion, mang lại thông tin cực kỳ hữu ích để xác định thành phần của các nguyên tố có trong tự nhiên.

Lặp lại thí nghiệm

Thomson đã thực hiện cùng một thí nghiệm trong nhiều trường hợp, sửa đổi các kim loại anh sử dụng để đặt các điện cực trong ống tia catốt.

Cuối cùng, ông xác định rằng các tính chất của chùm tia không đổi, bất kể vật liệu được sử dụng cho các điện cực. Đó là, yếu tố này không phải là yếu tố quyết định trong quá trình thực hiện thí nghiệm.

Các nghiên cứu của Thomson rất hữu ích để giải thích cấu trúc phân tử của một số chất, cũng như sự hình thành liên kết nguyên tử.

Định đề

Mô hình của Thomson chứa trong một tuyên bố duy nhất là kết luận có lợi của nhà khoa học người Anh John Dalton về cấu trúc nguyên tử và gợi ý về sự hiện diện của các electron trong mỗi nguyên tử.

Ngoài ra, Thomson cũng thực hiện một số nghiên cứu về các proton trong khí neon và do đó đã chứng minh tính trung lập điện của các nguyên tử. Tuy nhiên, điện tích dương trên nguyên tử được đề xuất là một khối đồng nhất chứ không phải là hạt.

Thí nghiệm của Thomson với tia catốt cho phép đưa ra các định đề khoa học sau:

- Tia catốt được cấu thành bởi các hạt hạ nguyên tử mang điện tích âm. Thomson ban đầu định nghĩa các hạt này là "tiểu thể".

- Khối lượng của mỗi hạt hạ nguyên tử chỉ bằng 0, 0005 lần khối lượng của một nguyên tử hydro.

- Những hạt hạ nguyên tử này được tìm thấy trong tất cả các nguyên tử của tất cả các nguyên tố của Trái đất.

- Các nguyên tử trung hòa về điện; nghĩa là điện tích âm của "tiểu thể" tương đương với điện tích dương của các proton.

Mô hình gây tranh cãi

Mô hình nguyên tử của Thomson gây tranh cãi rất cao trong cộng đồng khoa học, vì nó trái ngược với mô hình nguyên tử của Dalton.

Điều thứ hai cho rằng các nguyên tử là các đơn vị không thể phân chia, mặc dù các kết hợp có thể được tạo ra trong các phản ứng hóa học.

Do đó, Dalton đã không dự tính về sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử - giống như các electron - trong các nguyên tử.

Ngược lại, Thomson tìm thấy một mô hình tiểu thuyết cung cấp một lời giải thích khác về thành phần nguyên tử và hạ nguyên tử, sau khi phát hiện ra electron.

Mô hình nguyên tử của Thomson nhanh chóng được tiết lộ bởi sự mô phỏng với món tráng miệng nổi tiếng của Anh "mận mận". Khối lượng của bánh pudding tượng trưng cho một cái nhìn không thể thiếu của nguyên tử và mận đại diện cho mỗi electron tạo nên nguyên tử.

Hạn chế

Mô hình được đề xuất bởi Thomson rất được yêu thích và chấp nhận vào thời điểm đó, và đóng vai trò là điểm khởi đầu để điều tra cấu trúc nguyên tử và tinh chỉnh các chi tiết liên quan.

Nguyên nhân lớn nhất của việc chấp nhận mô hình là nó thích nghi tốt như thế nào với các quan sát của các thí nghiệm tia âm cực của Thomson.

Tuy nhiên, mô hình đã có những cơ hội quan trọng để cải tiến nhằm giải thích sự phân bố điện tích trong nguyên tử, cả điện tích dương và điện tích âm.

Các cuộc điều tra của Rutherfod

Sau đó, vào thập kỷ 1910, trường khoa học do Thomson đứng đầu đã tiếp tục các cuộc điều tra về các mô hình cấu trúc nguyên tử.

Đây là cách Ernest Rutherford, cựu sinh viên của Thomson, xác định những hạn chế của mô hình nguyên tử của Thomson, trong công ty của nhà vật lý người Anh Ernest Marsden và nhà vật lý người Đức Hans Geiger.

Bộ ba nhà khoa học đã thực hiện một số thí nghiệm với các hạt alpha (α), nghĩa là hạt nhân ion hóa của các phân tử 4He, không có xung quanh các electron.

Loại hạt này được tạo thành từ hai proton và hai neutron, đó là lý do tại sao điện tích dương chiếm ưu thế. Các hạt alpha được tạo ra trong các phản ứng hạt nhân hoặc bằng các thí nghiệm với sự phân rã phóng xạ.

Rutherford đã thiết kế một sự sắp xếp cho phép đánh giá hành vi của các hạt alpha khi đi qua các chất rắn, ví dụ như các tấm vàng.

Trong phân tích đường dẫn, người ta đã phát hiện ra rằng một số hạt có góc lệch khi xuyên qua các tấm vàng. Trong các trường hợp khác, độ nảy nhẹ cũng được cảm nhận trên phần tử tác động.

Sau các cuộc điều tra với các hạt alpha, Rutherfod, Marsden và Geiger đã mâu thuẫn với mô hình nguyên tử của Thomson và đề xuất một cấu trúc nguyên tử mới thay thế.

Đề xuất mới

Sự phản đối của Rutherford và các đồng nghiệp của ông là nguyên tử được tạo thành từ một lõi nhỏ, mật độ cao, trong đó các điện tích dương và một vòng các electron được tập trung xung quanh nó.

Việc phát hiện hạt nhân nguyên tử của Rutherford mang đến một không khí mới cho cộng đồng khoa học. Tuy nhiên, nhiều năm sau, mô hình này cũng bị thu hồi và thay thế bằng mô hình nguyên tử của Bohr.