แบบจำลองอะตอมของทอมสัน: ลักษณะสมมุติฐานอนุภาคของอะตอม - กายภาพ

แบบจำลองอะตอมของทอมสันถูกสร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงโด่งดังภาษาอังกฤษปทอมสันผู้ค้นพบอิเล็กตรอน สำหรับการค้นพบนี้และผลงานของเขาเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าในก๊าซเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2449

จากผลงานของเขากับรังสีแคโทดทำให้เห็นได้ชัดว่าอะตอมไม่ใช่สิ่งที่แบ่งแยกไม่ได้ดังที่ดาลตันตั้งสมมติฐานไว้ในแบบจำลองก่อนหน้านี้ แต่มีโครงสร้างภายในที่กำหนดไว้อย่างดี

ทอมสันสร้างแบบจำลองของอะตอมจากผลการทดลองของเขากับรังสีแคโทด ในนั้นเขาระบุว่าอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าประกอบด้วยประจุบวกและลบที่มีขนาดเท่ากัน

แบบจำลองอะตอมของทอมสันเรียกว่าอะไรและทำไม?

ตามที่ทอมสันกล่าวว่าประจุบวกกระจายไปทั่วอะตอมและประจุลบฝังอยู่ในนั้นราวกับว่าพวกมันเป็นลูกเกดในพุดดิ้ง จากการเปรียบเทียบนี้จึงได้คำว่า "พุดดิ้งลูกเกด" ตามแบบที่รู้จักกันอย่างไม่เป็นทางการ

โจเซฟจอห์นทอมสัน

แม้ว่าความคิดของทอมสันในปัจจุบันจะดูค่อนข้างดั้งเดิม แต่ในขณะนั้นก็แสดงถึงการมีส่วนร่วมในนวนิยาย ในช่วงชีวิตสั้น ๆ ของแบบจำลอง (ตั้งแต่ปี 1904 ถึง 1910) ได้รับการสนับสนุนจากนักวิทยาศาสตร์หลายคนแม้ว่าคนอื่น ๆ จะมองว่าเป็นเรื่องนอกรีตก็ตาม

ในที่สุดในปีพ. ศ. 2453 ก็มีหลักฐานใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมและแบบจำลองของทอมสันก็ตกลงไปด้านข้างอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้เกิดขึ้นทันทีที่รัทเทอร์ฟอร์ดเผยแพร่ผลการทดลองการกระจัดกระจายของเขาซึ่งเผยให้เห็นการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอม

อย่างไรก็ตามแบบจำลองของทอมสันเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของอนุภาคย่อยของอะตอมและผลลัพธ์ของมันเป็นผลมาจากการทดลองที่ละเอียดและเข้มงวด ด้วยวิธีนี้เขาจึงวางแบบอย่างสำหรับการค้นพบทั้งหมดที่ตามมา

ลักษณะและสมมุติฐานของแบบจำลองทอมสัน

ทอมสันมาถึงแบบจำลองอะตอมของเขาโดยอาศัยข้อสังเกตหลายประการ ประการแรกคือรังสีเอกซ์ที่ Roentgen ค้นพบใหม่สามารถทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ ในระหว่างนั้นวิธีเดียวที่จะทำให้แตกตัวเป็นไอออนคือการแยกไอออนทางเคมีในสารละลาย

แต่นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษสามารถไอออไนซ์ได้สำเร็จแม้กระทั่งก๊าซเชิงเดี่ยวเช่นฮีเลียมด้วยรังสีเอกซ์สิ่งนี้ทำให้เขาเชื่อว่าประจุไฟฟ้าภายในอะตอมสามารถแยกออกได้ดังนั้นจึงไม่สามารถแบ่งแยกได้นอกจากนี้เขายังสังเกตว่ารังสีแคโทด พวกมันอาจถูกหักเหด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

JJ Thomson ผู้ค้นพบอิเล็กตรอน ที่มา: Lifeder.

ทอมสันจึงคิดค้นแบบจำลองที่อธิบายความจริงที่ว่าอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้าได้อย่างถูกต้องและรังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบ

ด้วยการใช้หลักฐานการทดลองทอมสันได้จำแนกอะตอมดังนี้:

- อะตอมเป็นทรงกลมของแข็งที่เป็นกลางทางไฟฟ้าโดยมีรัศมีประมาณ 10 ^-10ม.

- ประจุบวกกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งทรงกลม

- อะตอมประกอบด้วย "คลังข้อมูล" ที่มีประจุลบซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงความเป็นกลาง

- คลังข้อมูลเหล่านี้เหมือนกันสำหรับทุกเรื่อง

- เมื่ออะตอมอยู่ในสภาวะสมดุลจะมี n corpuscles เรียงเป็นวงแหวนภายในทรงกลมของประจุบวกอย่างสม่ำเสมอ

- มวลของอะตอมกระจายอย่างเท่าเทียมกัน

รังสีแคโทด

ลำแสงของอิเล็กตรอนถูกส่งจากแคโทดไปยังขั้วบวก

ทอมสันได้ทำการทดลองโดยใช้รังสีแคโทดซึ่งค้นพบในปี 1859 รังสีแคโทดเป็นกลุ่มอนุภาคที่มีประจุลบ ในการผลิตจะใช้หลอดแก้วสุญญากาศซึ่งมีการวางขั้วไฟฟ้าสองขั้วเรียกว่าแคโทดและขั้วบวก

จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านไปเพื่อทำให้แคโทดร้อนขึ้นซึ่งด้วยวิธีนี้จะปล่อยรังสีที่มองไม่เห็นซึ่งส่งตรงไปยังอิเล็กโทรดตรงข้าม

ในการตรวจจับรังสีซึ่งไม่ใช่อะไรอื่นนอกจากรังสีแคโทดผนังของหลอดด้านหลังขั้วบวกจะถูกปกคลุมด้วยวัสดุเรืองแสง เมื่อรังสีไปถึงที่นั่นผนังของหลอดจะให้ความส่องสว่างที่รุนแรง

หากวัตถุที่เป็นของแข็งเข้าไปขวางรังสีแคโทดจะทำให้เกิดเงาที่ผนังของหลอด สิ่งนี้บ่งชี้ว่ารังสีเดินทางเป็นเส้นตรงและยังสามารถปิดกั้นได้ง่าย

ธรรมชาติของรังสีแคโทดถูกพูดถึงอย่างกว้างขวางเนื่องจากไม่ทราบลักษณะของมัน บางคนคิดว่าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในขณะที่บางคนแย้งว่าเป็นอนุภาค

อนุภาคย่อยจากแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของทอมสันเป็นอย่างที่เรากล่าวว่าเป็นสิ่งแรกที่คาดเดาการมีอยู่ของอนุภาคย่อยของอะตอม คลังข้อมูลของทอมสันไม่ใช่อะไรอื่นนอกจากอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบพื้นฐานของอะตอม

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอนุภาคพื้นฐานอีกสองอนุภาคคือโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่ไม่มีประจุ

แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ถูกค้นพบในขณะที่ทอมสันพัฒนาแบบจำลองของเขา ประจุบวกในอะตอมกระจายอยู่ในนั้นมันไม่ได้พิจารณาว่ามีอนุภาคใดที่จะรับประจุนี้และในขณะนี้ก็ไม่มีหลักฐานการดำรงอยู่ของมัน

ด้วยเหตุนี้แบบจำลองของเขาจึงมีอยู่ชั่วขณะเนื่องจากในช่วงไม่กี่ปีการทดลองที่กระจัดกระจายของรัทเทอร์ฟอร์ดได้ปูทางไปสู่การค้นพบโปรตอน และสำหรับนิวตรอนรัทเทอร์ฟอร์ดเองก็เสนอการมีอยู่ของมันหลายปีก่อนที่จะถูกค้นพบ

หลอด Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) ได้ออกแบบหลอดที่มีชื่อของเขาในราวปีพ. ศ. 2413 ด้วยความตั้งใจที่จะศึกษาธรรมชาติของรังสีแคโทดอย่างรอบคอบ เขาเพิ่มสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กและสังเกตว่ารังสีเบี่ยงเบนไปจากพวกมัน

โครงร่างหลอดรังสีแคโทด ที่มา: Knight, R.

ด้วยวิธีนี้ Crookes และนักวิจัยคนอื่น ๆ รวมถึง Thomson พบว่า:

กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นภายในหลอดรังสีแคโทด
รังสีถูกหักเหโดยการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับอนุภาคที่มีประจุลบ
โลหะใด ๆ ที่ใช้ทำแคโทดสามารถผลิตรังสีแคโทดได้ดีพอ ๆ กันและพฤติกรรมของพวกมันไม่ขึ้นอยู่กับวัสดุ

ข้อสังเกตเหล่านี้กระตุ้นให้เกิดการอภิปรายเกี่ยวกับต้นกำเนิดของรังสีแคโทด ผู้ที่ยืนยันว่าเป็นคลื่นนั้นอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่ารังสีแคโทดสามารถเดินทางเป็นเส้นตรงได้ นอกจากนี้สมมติฐานนี้ยังอธิบายได้เป็นอย่างดีถึงเงาที่วัตถุทึบที่สอดแทรกอยู่บนผนังของท่อและในบางสถานการณ์เป็นที่ทราบกันดีว่าคลื่นอาจทำให้เกิดการเรืองแสงได้

แต่กลับไม่เข้าใจว่าสนามแม่เหล็กสามารถเบี่ยงเบนรังสีแคโทดได้อย่างไร สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อรังสีเหล่านี้ถูกพิจารณาว่าเป็นอนุภาคซึ่งเป็นสมมติฐานที่ทอมสันแบ่งปัน

อนุภาคที่มีประจุในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ

อนุภาคที่มีประจุซึ่งมีประจุ q สัมผัสกับแรง Fe ที่อยู่ตรงกลางของสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ E ขนาด:

เฟ = qE

เมื่ออนุภาคที่มีประจุในแนวตั้งฉากผ่านสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอเช่นแผ่นที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกสองแผ่นที่มีประจุตรงกันข้ามกันจะเกิดการโก่งตัวและส่งผลให้เกิดความเร่ง:

qE = ma

a = qE / ม

ในทางกลับกันถ้าอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วขนาด v กลางสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด B แรงแม่เหล็ก Fm ที่สัมผัสจะมีความเข้มดังต่อไปนี้:

Fm = qvB

ตราบเท่าที่เวกเตอร์ความเร็วและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกัน เมื่ออนุภาคที่มีประจุตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่เป็นเนื้อเดียวกันก็จะเกิดการโก่งตัวและการเคลื่อนที่เป็นวงกลมสม่ำเสมอ

ความเร่งศูนย์กลาง a _cในกรณีนี้คือ:

qvB = ma _ค

ในทางกลับกันความเร่งศูนย์กลางสัมพันธ์กับความเร็วของอนุภาค v และรัศมี R ของเส้นทางวงกลม:

a _c = v ² / R

ดังนั้น:

qvB = mv ² / R

รัศมีของเส้นทางวงกลมสามารถคำนวณได้ดังนี้:

R = mv / qB

ต่อมาสมการเหล่านี้จะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างวิธีที่ทอมสันได้รับความสัมพันธ์ของประจุ - มวลของอิเล็กตรอน

การทดลองของทอมสัน

ทอมสันผ่านลำแสงแคโทดซึ่งเป็นลำแสงอิเล็กตรอนแม้ว่าเขาจะยังไม่รู้ตัวก็ตามผ่านสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ ฟิลด์เหล่านี้สร้างขึ้นระหว่างแผ่นนำไฟฟ้าที่มีประจุไฟฟ้าสองแผ่นซึ่งคั่นด้วยระยะทางเล็กน้อย

นอกจากนี้เขายังส่งรังสีแคโทดผ่านสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอโดยสังเกตผลกระทบที่มีต่อลำแสง ในสนามหนึ่งและอีกสนามหนึ่งมีการเบี่ยงเบนของรังสีซึ่งทำให้ทอมสันคิดได้อย่างถูกต้องว่าลำแสงประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

เพื่อตรวจสอบสิ่งนี้ทอมสันได้ใช้กลยุทธ์หลายประการด้วยรังสีแคโทด:

เขาเปลี่ยนสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจนกองกำลังยกเลิก ด้วยวิธีนี้รังสีแคโทดผ่านโดยไม่เกิดการโก่งตัว ด้วยการเทียบแรงเคลื่อนไฟฟ้าและแม่เหล็กทอมสันสามารถกำหนดความเร็วของอนุภาคในลำแสงได้
มันทำให้ความเข้มของสนามไฟฟ้าเป็นโมฆะด้วยวิธีนี้อนุภาคจะเดินตามเส้นทางวงกลมที่อยู่ตรงกลางของสนามแม่เหล็ก
เขารวมผลลัพธ์ของขั้นตอนที่ 1 และ 2 เพื่อกำหนดความสัมพันธ์ของประจุ - มวลของ "คลังข้อมูล"

อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอน

ทอมสันพบว่าอัตราส่วนมวลประจุต่ออนุภาคที่ประกอบเป็นลำรังสีแคโทดมีค่าดังต่อไปนี้:

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

โดยที่ q แทนประจุของ "corpuscle" ซึ่งแท้จริงแล้วคืออิเล็กตรอนและ m คือมวลของมัน ทอมสันทำตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้าซึ่งเราสร้างขึ้นใหม่ทีละขั้นตอนที่นี่ด้วยสมการที่เขาใช้

เมื่อรังสีแคโทดผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ข้ามกันพวกมันจะผ่านไปโดยไม่มีการโก่งตัว เมื่อสนามไฟฟ้าถูกยกเลิกพวกมันจะชนส่วนบนของหลอด (สนามแม่เหล็กจะถูกระบุด้วยจุดสีน้ำเงินระหว่างขั้วไฟฟ้า) ที่มา: Knight, R.

ขั้นตอนที่ 1

ปรับแรงเคลื่อนไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กให้เท่ากันโดยส่งลำแสงผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉาก:

qvB = qE

ขั้นตอนที่ 2

กำหนดความเร็วที่อนุภาคบีมได้รับเมื่อผ่านโดยตรงโดยไม่มีการโก่งตัว:

v = E / B

ขั้นตอนที่ 3

ยกเลิกสนามไฟฟ้าเหลือเพียงสนามแม่เหล็ก (ตอนนี้มีการโก่ง):

R = mv / qB

ด้วย v = E / B ผลลัพธ์:

R = mE / qB ²

สามารถวัดรัศมีของวงโคจรได้ดังนั้น:

q / m = v / RB

O ดี:

q / m = E / RB ²

ขั้นตอนถัดไป

สิ่งต่อไปที่ทอมสันทำคือการวัดอัตราส่วน q / m โดยใช้แคโทดที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกัน ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้โลหะทุกชนิดจะปล่อยรังสีแคโทดที่มีลักษณะเหมือนกัน

จากนั้นทอมสันจึงเปรียบเทียบค่าของมันกับอัตราส่วน q / m ของไฮโดรเจนไอออนที่ได้จากการอิเล็กโทรลิซิสและมีค่าประมาณ 1 x 10 ⁸ C / kg อัตราส่วนประจุต่อมวลของอิเล็กตรอนมีค่าประมาณ 1,750 เท่าของไฮโดรเจนไอออน

ดังนั้นรังสีแคโทดจึงมีประจุไฟฟ้ามากกว่าหรืออาจมีมวลน้อยกว่าไฮโดรเจนไอออนมาก ไฮโดรเจนไอออนเป็นเพียงโปรตอนซึ่งเป็นที่รู้จักกันมานานหลังจากการทดลองกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าโปรตอนมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนเกือบ 1800 เท่าและมีประจุที่มีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงข้ามกับอิเล็กตรอน

รายละเอียดที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือจากการทดลองของทอมสันประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนไม่ได้ถูกกำหนดโดยตรงและไม่ได้กำหนดค่ามวลของมันแยกกัน ค่าเหล่านี้ถูกกำหนดโดยการทดลองของ Millikan ซึ่งเริ่มขึ้นในปี 1906

ความแตกต่างของโมเดลของ Thomson และ Dalton

ความแตกต่างพื้นฐานของแบบจำลองทั้งสองนี้คือดาลตันคิดว่าอะตอมเป็นทรงกลม ตรงกันข้ามกับทอมสันเขาไม่ได้เสนอการมีอยู่ของประจุบวกหรือลบ สำหรับดาลตันอะตอมมีลักษณะดังนี้:

อะตอมของดาลตัน

อย่างที่เราเคยเห็นมาก่อนทอมสันคิดว่าอะตอมนั้นหารไม่ได้และโครงสร้างของมันถูกสร้างขึ้นจากทรงกลมบวกและอิเล็กตรอนรอบตัว

ข้อบกพร่องและข้อ จำกัด ของโมเดล

ในขณะนั้นแบบจำลองอะตอมของทอมสันสามารถอธิบายพฤติกรรมทางเคมีของสารได้เป็นอย่างดี เขายังอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทดได้อย่างแม่นยำ

แต่ในความเป็นจริง Thomson ไม่ได้เรียกอนุภาคของเขาว่า "อิเล็กตรอน" แม้ว่า George Johnstone Stoney จะบัญญัติศัพท์นี้มาก่อนแล้วก็ตาม ทอมสันเรียกสิ่งเหล่านี้ว่า "คลังข้อมูล"

แม้ว่าทอมสันจะใช้ความรู้ทั้งหมดที่มีให้เขาในเวลานั้น แต่ก็มีข้อ จำกัด ที่สำคัญหลายประการในแบบจำลองของเขาซึ่งเห็นได้ชัดในช่วงแรก ๆ :

- ค่าใช้จ่ายในเชิงบวกไม่ได้กระจายไปทั่วอะตอมการทดลองการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นว่าประจุบวกของอะตอมนั้นจำเป็นต้องถูก จำกัด อยู่ในบริเวณเล็ก ๆ ของอะตอมซึ่งต่อมาเป็นที่รู้จักกันในชื่อนิวเคลียสของอะตอม

- อิเล็กตรอนมีการกระจายที่เฉพาะเจาะจงในแต่ละอะตอมอิเล็กตรอนจะไม่กระจายอย่างเท่าเทียมกันเช่นลูกเกดในพุดดิ้งที่มีชื่อเสียง แต่มีการจัดเรียงในวงโคจรที่รุ่นต่อมาเปิดเผยแทน

เป็นการจัดเรียงอิเล็กตรอนภายในอะตอมอย่างแม่นยำซึ่งทำให้องค์ประกอบต่างๆสามารถจัดเรียงตามลักษณะและคุณสมบัติในตารางธาตุได้ นี่เป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญของแบบจำลอง Thomson ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ว่าจะสั่งองค์ประกอบด้วยวิธีนี้ได้อย่างไร

- นิวเคลียสของอะตอมเป็นนิวเคลียสที่มีมวลมากที่สุด แบบจำลองของทอมสันตั้งสมมติฐานว่ามวลของอะตอมกระจายอยู่ภายในอย่างสม่ำเสมอ แต่วันนี้เรารู้แล้วว่ามวลของอะตอมนั้นมีความเข้มข้นในโปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียส

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแบบจำลองของอะตอมนี้ไม่อนุญาตให้อนุมานประเภทของการเคลื่อนที่ที่อิเล็กตรอนมีอยู่ภายในอะตอม

บทความที่น่าสนใจ

แบบจำลองอะตอมของSchrödinger

แบบจำลองอะตอมของ De Broglie

แบบจำลองอะตอมของ Chadwick

แบบจำลองอะตอมไฮเซนเบิร์ก

แบบจำลองอะตอมของ Perrin

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

แบบจำลองอะตอมของ Dirac Jordan

แบบจำลองอะตอมของ Democritus

แบบจำลองอะตอมของบอร์

แบบจำลองอะตอมซอมเมอร์เฟลด์

อ้างอิง

Andriessen, M. 2001. HSC Course. ฟิสิกส์ 2. Jacaranda HSC Science.
Arfken, G. 1984. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย. สำนักพิมพ์วิชาการ.
Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน
วิกิพีเดีย แบบจำลองอะตอมของทอมสัน สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน: ลักษณะสมมุติฐานอนุภาคของอะตอม - กายภาพ - 2025