Модель сливового пудинга

Устаревшая модель атома Модель атома сливового пудинга Текущая модель субатомного структура включает плотное ядро, окруженное вероятностным «облаком» электронов

модель сливового пудинга - одна из нескольких исторических научных моделей атома. Впервые предложено Дж. Дж. Томсон в 1904 году, вскоре после открытия электрона, но до открытия атомного ядра, модель попыталась объяснить два известных тогда свойства атомов: электроны - это отрицательно заряженные частицы, и эти атомы не имеют чистого электрического заряда. Модель сливового пудинга имеет электроны, окруженные объемом положительного заряда, как отрицательно заряженные «сливы», заключенные в положительно заряженный «пудинг». Слово «сливы» в английском языке 19 века «сливовый пудинг» является архаичным использованием этого слова; в то время это относилось к изюму, а не к сливам.

В этой модели атомы, как известно, состоят из отрицательно заряженных электронов. Хотя Томсон называл их «корпускул », их чаще называли «электронами», что Г. Дж. Стони предложил в качестве «фундаментальной единицы количества электричества» в 1891 году. 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 правдоподобные модели, которые соответствовали бы известным тогда свойствам атомов:

1. Каждый отрицательно заряженный электрон был спарен с положительно заряженной частицей, которая следовала за ним повсюду в атоме.
2. Отрицательно заряженный 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 равномерно положительно заряжена (часто рассматриваемая как своего рода "суп") или «облако» положительного заряда).

Томсон выбрал третью возможность как наиболее вероятную структуру атомов. Томсон опубликовал предложенную им 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...

С этой моделью Томсон отказался от своего «туманного атома» 1890 года. Гипотеза, основанная на вихревой атомной теории, в которой атомы состоят из нематериальных вихрей, предполагала сходство между расположением вихрей и периодической регулярностью, обнаруженной среди химических элементов. 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 был более положительный заряд внутри его орбиты (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, чтобы разработать эксперименты для дальнейшего изучения состава атомов. Кроме того, модель Томсона (вместе с аналогичной моделью кольца Сатурна для атомных электронов, выдвинутой в 1904 г. Нагаока после модели Джеймса Клерка Максвелла Кольца Сатурна ) были полезными предшественниками более правильной, подобной солнечной системе модели Бора атома.

Разговорное прозвище «сливовый пудинг» вскоре было приписано модели Томсона, поскольку распределение электронов в его положительно заряженной области пространства напомнило многим ученым изюм, тогда называемый «сливами», в распространенном английском десерте сливовый пудинг.

В 1909 году Ганс 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 подразумевали наличие очень маленького ядра с положительным зарядом в центре атомов 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 г. (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, подобная солнечной системе (но с квантовыми ограничениями) , в том же году, в которой ядро, содержащее атомное число положительных зарядов, окружено равным числом электроны в орбитальных оболочках. Поскольку модель Томсона руководила экспериментами Резерфорда, модель Бора направляла исследования Мозли.

Модель сливового пудинга с одним электроном была частично использована физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки числового значения Постоянная Планка и радиус Бора атомов водорода. В своей работе Хаас оценил эти значения с точностью до порядка величины и опередил работу Нильса Бора на три года. Следует отметить, что сама модель Бора обеспечивает разумные предсказания только для атомных и ионных систем с одним эффективным электроном.

Особенно полезной математической задачей, связанной с моделью сливового пудинга, является оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемое 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 лечение 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 замечательное 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 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 в отношении расположения электронных орбит в реальных атомах.