Атомның Томсон моделі

Томсон моделі (кейде «атомның пудинг моделі» деп те аталады) 1904 жылы Джозеф Джон Томсон ұсынған атом моделі. Электронды ашқаннан кейін көп ұзамай, атом ядросы ашылғанға дейін модель атомдардың сол кездегі белгілі екі қасиетін түсіндіруге тырысты: электрондар теріс зарядталған бөлшектер және атомдарда таза электр заряды жоқ. Мейіз пудингінің моделінде оң зарядты «пудингке» енгізілген, теріс зарядталған «мейіздер» сияқты оң зарядтың көлемімен қоршалған электрондар бар.

 Тарих 
Бұл модельде атомдар теріс зарядталған электрондардан тұратыны белгілі болды. Томсон оларды «корпускулалар» деп атағанымен, олар көбінесе «электрондар» деп аталды, оны Дж.Дж. Стони 1891 жылы «электр мөлшерінің іргелі бірлігі» ретінде ұсынған. Ол кезде атомдарда таза электр заряды жоқ екені белгілі болатын. Мұны түсіндіру үшін Томсон электрондардың теріс зарядын теңестіру үшін атомдарда да оң зарядтың көзі болуы керек екенін білді. 1897 жылы электронды ашқаннан кейін, Томсон сол кездегі эксперименттік фактілерді түсіндіру үшін атомның моделін жасады:
 атомдар электрлік бейтарап және олардың табиғатына қарамастан кез келген атомдарда электрондар болады;
 электрондар атомдардың, заряды шамалы және бірдей теріс зарядты корпускулалардың массасына қатысты жеңіл;
 атомдар қозған кезде олар тек белгілі бір жиіліктерде сәуле таратып, сызықтық оптикалық спектрлерді тудырады.

1904 жылы наурызда жарияланған мақаласында Philosophical Magazine Томсон атомның ықтимал құрылымының үш ықтимал нұсқасын қарастырып, оның электрлік бейтараптығын және басқа да қасиеттерін түсіндіреді:

 Әрбір теріс зарядталған электрон гипотетикалық оң зарядталған бөлшекпен жұптасады және бұл жұп атомның ішінде айналады.
 Теріс зарядталған электрондар абсолютті мәні бойынша атомның барлық электрондарының жалпы зарядына тең, атомның ортасында шоғырланған оң зарядты аймақтың айналасында айналады.
 Электрондар осы сфераның барлық жерінде бірдей заряд тығыздығы бар оң зарядты сфералық бұлтқа батырылған, олар еркін қозғала алады.

Томсон осы мақалада үшінші модельге сәйкес атомның құрылымы ең ықтимал деп ұсынды. Сол мақалада Томсон атом құрылымының бұрын ұсынған «құйынды» моделін жоққа шығарады. Томсон электрондарды «зарядталған корпускулалар» деп атайды, дегенмен 1894 жылы Дж. Дж. Стони сол журналда жарияланған мақаласында «электр атомдарын» электрондар деп атауды ұсынды.

Томсон былай деп жазды:...элемент атомдары біркелкі бөлінген оң электр заряды бар сферамен қоршалған бірнеше теріс зарядты корпускулалардан тұрады...

Атомның пудингтік моделін ұсына отырып, Томсон атомдар материалдық емес құйындардан тұратын құйындардың атомдық теориясына негізделген 1890 жылғы бұрынғы «тұмандық атом» гипотезасынан бас тартты. Ол құйындылардың орналасуы мен химиялық элементтер арасында кездесетін периодтық заңдылық арасында ұқсастық бар деп ұсынды. Енді атомның кем дегенде бір бөлігі микроскопиялық теріс зарядталған Томсон корпускулаларынан тұрды, дегенмен атомның оң зарядталған бөлігінің қалған бөлігі әлі де анық емес және анық емес еді. Тапқыр және тәжірибелі ғалым Томсон атом моделін сол кездегі белгілі эксперименттік деректерге негіздеді. Оның оң ғарыштық заряд туралы ұсынысы оның болашақ эксперименттер үшін идеяларды ұсынуы болатын ашуға ғылыми көзқарасының сипатын көрсетеді.

 Модель сипаттамасы 
Томсонның пікірінше атом электрондардың электрлік теріс зарядтарының орнын толтыратын оң зарядты «сорпаға» орналастырылған электрондардан тұрады, бейнелі түрде — оң зарядталған «пудингтегі» теріс зарядталған «мейіз» сияқты. Электрондар атомның бүкіл көлеміне таралуы керек еді. Атом ішіндегі электрондардың мүмкін орналасуының бірнеше нұсқалары, атап айтқанда, айналмалы сақиналар түріндегі электрондарды топтастыру қарастырылды. Модельдің кейбір нұсқаларында біркелкі зарядталған бұлттың орнына ауыспалы тығыздығы бар сфералық симметриялы заряды бар «бұлт» ұсынылды.

Бұл модельге сәйкес электрондар мұндай оң зарядталған заттың тамшысында немесе бұлтында еркін айнала алады. Олардың орбиталары атомның ішінде оң зарядталған бұлттың центрінен алыстаған кезде электрон бұлттың центріне тартылу күшінің артып, оны кері қайтаруымен тұрақтандырылды, өйткені зат көбірек болды. Оның орбитасының ішіндегі зарядтың сыртына қарағанда қарама-қарсылығы (электростатикалық Гаусс теоремасы бойынша) және біркелкі зарядталған сфералық бұлттың центріне тартылатын күш оның центріне дейінгі қашықтыққа тура пропорционал.

Томсон моделінде электрондар сақина орбиталарында еркін айнала алады, олар электрондар арасындағы өзара әрекеттесу арқылы тұрақтанды, ал сызықтық спектрлер әртүрлі сақина орбиталары бойынша қозғалған кездегі энергия айырмашылығымен түсіндірілді.

Кейінірек Томсон өзінің моделін пайдалана отырып, кейбір химиялық элементтердің жарқын спектрлік сызықтарын түсіндіруге тырысты, бірақ айтарлықтай табысқа жете алмады.

Дегенмен, Томсонның моделі (сонымен қатар атомдардың электрондарына арналған Сатурн сақиналарының ұқсас үлгісін де 1904 жылы Нагаока ұсынған, Джеймс Клерк Максвеллдің Сатурн сақиналарының моделіне ұқсас) кейінірек және сәтті Бордың моделі атомды Күн жүйесінің ұқсастығы ретінде көрсететін ерте бастаушысы болды.

Сфералық кванттық нүктелермен шектелген электрондардың классикалық электростатикалық өңдеуі де оларды пудинг үлгісіндегі өңдеуге ұқсас.

Томсонның моделі британдық десертпен салыстырылды (бірақ өзі емес), мейіз пудингі, сондықтан бұл модельдің атауы.

 Томсон моделін эксперименттік теріске шығару 
Томсонның 1904 жылғы атом моделі 1909 жылы алтын фольгадағы альфа-бөлшектердің шашырау тәжірибесінде жоққа шығарылды, оны 1911 жылы Эрнест Резерфорд талдаған, атомның өте үлкен оң заряды бар өте кішкентай ядросы бар екенін ұсынған (алтын жағдайында, шамамен 100 электрон зарядының орнын толтыруға жеткілікті), бұл Резерфордтың атомның планетарлық моделіне әкелді. Алтынның атомдық саны 79 болса да, 1911 жылы Резерфордтың мақаласы жарияланғаннан кейін бірден Антониус Ван ден Брук атомдық нөмір элементар зарядтың бірліктермен өрнектелген ядро заряды деген интуитивті болжамды алға тартты.

Бұл гипотезаны растау үшін эксперимент қажет болды. 1913 жылы Генри Мозли эксперименталды түрде көрсетті (Мозли заңын қараңыз) элементар зарядтардағы ядро заряды атомдық нөмірге өте жақын (Мозли тапқан тәжірибелік ауытқу, бірден артық емес) және Мозли тек Ван ден Брук пен Резерфордтың жұмыстарына сілтеме жасады. Бұл жұмыс, сайып келгенде, сол жылы күн жүйесіне ұқсас (бірақ кванттық шектеулері бар) атомның Бор моделін құруға әкелді, онда атом санына тең оң заряды бар ядро тең орбиталық қабаттардағы электрондар санымен қоршалған.

Томсон моделін қарастыру кезінде математикалық физиканың осы уақытқа дейін шешілмеген мәселесі — сферадағы ең аз потенциалдық энергиясы бар көптеген зарядтардың конфигурациясын табу — Томсон есебі.

 Дереккөздер 

Санат:Атомдық физика
Санат:Ескірген ғылыми теориялар