نموذج طومسون الذري: الخصائص ، والمسلمات ، والجسيمات دون الذرية - جسدي - بدني - 2026

و النموذج الذري من طومسون تم إنشاؤه من قبل المحتفى به الفيزيائي الإنكليزي JJ طومسون الذي اكتشف الإلكترون. لهذا الاكتشاف وعمله في التوصيل الكهربائي للغازات ، حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906.

من خلال عمله مع أشعة الكاثود ، أصبح من الواضح أن الذرة لم تكن كيانًا غير قابل للتجزئة ، كما افترض دالتون في النموذج السابق ، ولكنها احتوت على بنية داخلية محددة جيدًا.

صنع طومسون نموذجًا للذرة بناءً على نتائج تجاربه مع أشعة الكاثود. وذكر فيه أن الذرة المحايدة كهربائيًا تتكون من شحنة موجبة وسالبة متساوية الحجم.

ماذا كان يسمى نموذج طومسون الذري ولماذا؟

وفقًا لتومسون ، تم توزيع الشحنة الموجبة في جميع أنحاء الذرة وتم تضمين الشحنات السالبة فيها كما لو كانت زبيبًا في بودنغ. ومن هذه المقارنة جاء مصطلح "بودينج الزبيب" كما كان النموذج غير رسمي.

جوزيف جون طومسون

على الرغم من أن فكرة طومسون تبدو بدائية للغاية اليوم ، إلا أنها كانت تمثل مساهمة جديدة في ذلك الوقت. خلال العمر القصير للنموذج (من 1904 إلى 1910) ، حظي بدعم العديد من العلماء ، على الرغم من أن كثيرين آخرين اعتبروه بدعة.

أخيرًا في عام 1910 ظهرت أدلة جديدة حول التركيب الذري ، وسرعان ما سقط نموذج طومسون جانبًا. حدث هذا فور نشر رذرفورد نتائج تجاربه في التشتت والتي كشفت عن وجود النواة الذرية.

ومع ذلك ، كان نموذج طومسون أول من افترض وجود جسيمات دون ذرية وكانت نتائجه ثمرة تجارب دقيقة وصارمة. وبهذه الطريقة وضع سابقة لجميع الاكتشافات التي تلت ذلك.

خصائص ومسلمات نموذج طومسون

وصل طومسون إلى نموذجه الذري بناءً على عدة ملاحظات. الأول هو أن الأشعة السينية التي اكتشفها رونتجن حديثًا كانت قادرة على تأين جزيئات الهواء. حتى ذلك الحين ، كانت الطريقة الوحيدة للتأين هي فصل الأيونات كيميائيًا في المحلول.

لكن الفيزيائي الإنجليزي نجح في تأيين حتى الغازات أحادية الذرة مثل الهليوم عن طريق الأشعة السينية ، مما دفعه إلى الاعتقاد بأن الشحنة داخل الذرة يمكن فصلها ، وبالتالي فهي ليست غير قابلة للتجزئة. ولاحظ أيضًا أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

JJ طومسون ، مكتشف الإلكترون. المصدر: ليفيدر.

لذلك ابتكر طومسون نموذجًا يشرح بشكل صحيح حقيقة أن الذرة محايدة كهربائيًا وأن أشعة الكاثود تتكون من جسيمات سالبة الشحنة.

باستخدام الأدلة التجريبية ، وصف طومسون الذرة على النحو التالي:

- الذرة عبارة عن كرة صلبة متعادلة كهربائياً ، نصف قطرها التقريبي ^10-10 م.

- الشحنة الموجبة موزعة بشكل متجانس إلى حد ما في جميع أنحاء الكرة.

- تحتوي الذرة على "جسيمات" سالبة الشحنة مما يضمن حيادها.

-هذه الجسيمات هي نفسها لجميع الأمور.

- عندما تكون الذرة في حالة اتزان ، هناك عدد n من الجسيمات مرتبة بانتظام في حلقات داخل مجال الشحنة الموجبة.

- كتلة الذرة موزعة بالتساوي.

أشعة الكاثود

يتم توجيه حزمة الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب.

أجرى طومسون تجاربه باستخدام أشعة الكاثود المكتشفة عام 1859. أشعة الكاثود عبارة عن حزم من الجسيمات سالبة الشحنة. لإنتاجها ، يتم استخدام أنابيب زجاجية مفرغة ، حيث يتم وضع قطبين كهربائيين ، يسمى الكاثود والأنود.

ثم يتم تمرير تيار كهربائي يسخن الكاثود ، والذي بهذه الطريقة ينبعث إشعاعًا غير مرئي يوجه مباشرة إلى القطب المعاكس.

للكشف عن الإشعاع ، وهو ليس سوى أشعة الكاثود ، يتم تغطية جدار الأنبوب الموجود خلف الأنود بمادة فلورية. عندما يصل الإشعاع إلى هناك ، يعطي جدار الأنبوب لمعانًا شديدًا.

إذا كان جسم صلب يعترض طريق أشعة الكاثود ، فإنه يلقي بظلاله على جدار الأنبوب. يشير هذا إلى أن الأشعة تتحرك في خط مستقيم ، وأيضًا أنه يمكن حجبها بسهولة.

تمت مناقشة طبيعة أشعة الكاثود على نطاق واسع ، حيث كانت طبيعتها غير معروفة. يعتقد البعض أنها موجات من النوع الكهرومغناطيسي ، بينما جادل آخرون بأنها جسيمات.

الجسيمات دون الذرية من نموذج طومسون الذري

نموذج طومسون الذري ، كما قلنا ، هو أول من افترض وجود الجسيمات دون الذرية. إن جسيمات طومسون ليست سوى الإلكترونات ، الجسيمات الأساسية سالبة الشحنة للذرة.

نحن نعلم الآن أن الجسيمين الأساسيين الآخرين هما البروتون موجب الشحنة والنيوترون غير المشحون.

لكن لم يتم اكتشاف ذلك في الوقت الذي طور فيه طومسون نموذجه. تم توزيع الشحنة الموجبة في الذرة فيه ، ولم يعتبر أي جسيم يحمل هذه الشحنة وفي الوقت الحالي لا يوجد دليل على وجوده.

لهذا السبب ، كان لنموذجه وجودًا سريعًا ، لأنه في غضون بضع سنوات ، مهدت تجارب تشتت رذرفورد الطريق لاكتشاف البروتون. أما بالنسبة للنيوترون ، فقد اقترح رذرفورد نفسه وجوده قبل بضع سنوات من اكتشافه أخيرًا.

أنبوب كروكس

صمم السير وليام كروكس (1832-1919) الأنبوب الذي يحمل اسمه حوالي عام 1870 ، بهدف دراسة طبيعة أشعة الكاثود بعناية. وأضاف المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية ، ولاحظ أن الأشعة انحرفت عنها.

مخطط أنبوب أشعة الكاثود. المصدر: Knight، R.

بهذه الطريقة ، وجد كروكس وباحثون آخرون ، بما في ذلك طومسون ، أن:

1. تم توليد تيار كهربائي داخل أنبوب أشعة الكاثود
2. انحرفت الأشعة بسبب وجود المجالات المغناطيسية ، بنفس الطريقة التي انحرفت بها الجسيمات سالبة الشحنة.
3. كان أي معدن يستخدم في صنع الكاثود جيدًا بنفس القدر في إنتاج أشعة الكاثود ، وكان سلوكهم مستقلاً عن المادة.

غذت هذه الملاحظات النقاش حول أصل أشعة الكاثود. أولئك الذين أكدوا أنهم موجات ، استندوا إلى حقيقة أن أشعة الكاثود يمكن أن تنتقل في خط مستقيم. بالإضافة إلى ذلك ، أوضحت هذه الفرضية جيدًا الظل الذي يلقي به جسم صلب متداخل على جدار الأنبوب وفي ظل ظروف معينة ، كان من المعروف أن الأمواج يمكن أن تسبب الفلورة.

لكن بدلاً من ذلك ، لم يُفهم كيف يمكن للمجالات المغناطيسية أن تحرف أشعة الكاثود. لا يمكن تفسير ذلك إلا إذا تم اعتبار هذه الأشعة جسيمات ، وهي فرضية شاركها طومسون.

الجسيمات المشحونة في مجالات كهربائية ومغناطيسية موحدة

يختبر جسيم مشحون بشحنة q قوة Fe في منتصف مجال كهربائي موحد E ، من حيث الحجم:

Fe = qE

عندما يمر جسيم مشحون بشكل عمودي عبر مجال كهربائي موحد ، مثل ذلك المنتج بين لوحين بشحنات متقابلة ، فإنه يواجه انحرافًا ، وبالتالي تسارعًا:

qE = أماه

أ = qE / م

من ناحية أخرى ، إذا تحرك الجسيم المشحون بسرعة مقدارها v ، في منتصف مجال مغناطيسي منتظم من الحجم B ، فإن القوة المغناطيسية F التي يواجهها لها الكثافة التالية:

فم = qvB

طالما أن نواقل السرعة والمجال المغناطيسي متعامدة. عندما يكون الجسيم المشحون متعامدًا على مجال مغناطيسي متجانس ، فإنه يخضع أيضًا لانحراف وتكون حركته دائرية منتظمة.

العجلة المركزية a _c في هذه الحالة هي:

qvB = أماه _ج

بدوره ، يرتبط التسارع المركزي بسرعة الجسيم v ونصف القطر R للمسار الدائري:

أ _ج = ت ² / ص

هكذا:

qvB = mv ² / R

يمكن حساب نصف قطر المسار الدائري على النحو التالي:

R = mv / qB

في وقت لاحق ، سيتم استخدام هذه المعادلات لإعادة إنشاء الطريقة التي اشتق بها طومسون العلاقة بين الشحنة والكتلة للإلكترون.

تجربة طومسون

قام طومسون بتمرير شعاع من أشعة الكاثود ، شعاع من الإلكترونات ، على الرغم من أنه لم يكن يعرف ذلك بعد ، من خلال مجالات كهربائية موحدة. يتم إنشاء هذه الحقول بين لوحين موصلين مشحنتين مفصولة بمسافة صغيرة.

قام أيضًا بتمرير أشعة الكاثود عبر مجال مغناطيسي موحد ، ملاحظًا تأثير ذلك على الحزمة. في أحد الحقول بالإضافة إلى الآخر ، كان هناك انحراف في الأشعة ، مما دفع طومسون إلى التفكير ، بشكل صحيح ، في أن الحزمة تتكون من جسيمات مشحونة.

للتحقق من ذلك ، نفذ Thomson عدة إستراتيجيات باستخدام أشعة الكاثود:

1. قام بتغيير المجالين الكهربائي والمغناطيسي حتى تم إلغاء القوى. وبهذه الطريقة مرت أشعة الكاثود من خلالها دون أن تعاني من انحراف. من خلال معادلة القوى الكهربائية والمغناطيسية ، تمكن طومسون من تحديد سرعة الجسيمات في الحزمة.
2. ألغى شدة المجال الكهربائي ، وبهذه الطريقة اتبعت الجسيمات مسارًا دائريًا في منتصف المجال المغناطيسي.
3. قام بدمج نتائج الخطوتين 1 و 2 لتحديد العلاقة بين الشحنة والكتلة في "الجسيمات".

نسبة كتلة الشحنة للإلكترون

قرر طومسون أن نسبة كتلة الشحنة للجسيمات التي تكون حزمة أشعة الكاثود لها القيمة التالية:

س / م = 1.758820 × 10 11 درجة مئوية كجم -1.

حيث تمثل q شحنة "الجسيم" ، وهي في الواقع الإلكترون ، و m هي كتلتها. اتبع Thomson الإجراء الموضح في القسم السابق ، والذي نعيد إنشائه هنا خطوة بخطوة ، مع المعادلات التي استخدمها.

عندما تمر أشعة الكاثود عبر المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتقاطعة ، فإنها تمر دون انحراف. عندما يتم إلغاء المجال الكهربائي ، فإنها تضرب الجزء العلوي من الأنبوب (يشار إلى المجال المغناطيسي بالنقاط الزرقاء بين الأقطاب الكهربائية). المصدر: Knight، R.

الخطوة 1

معادلة القوة الكهربائية والقوة المغناطيسية ، مروراً بالشعاع من خلال المجالات الكهربائية والمغناطيسية العمودية:

qvB = qE

الخطوة 2

حدد السرعة التي اكتسبتها الجسيمات في الحزمة عندما تمر مباشرة دون انحراف:

ت = E / ب

الخطوه 3

قم بإلغاء المجال الكهربائي ، مع ترك المجال المغناطيسي فقط (يوجد الآن انحراف):

R = mv / qB

مع v = E / B النتائج:

R = mE / qB ²

يمكن قياس نصف قطر المدار ، لذلك:

ف / م = ت / RB

اوه حسنا:

ف / م = E / RB ²

الخطوات التالية

الشيء التالي الذي فعله طومسون هو قياس نسبة q / m باستخدام كاثودات مصنوعة من مواد مختلفة. كما ذكرنا سابقًا ، تصدر جميع المعادن أشعة الكاثود بخصائص متطابقة.

ثم قارن طومسون قيمها بقيم النسبة q / m لأيون الهيدروجين ، التي تم الحصول عليها بالتحليل الكهربائي والتي تبلغ قيمتها حوالي 1 × 10 ⁸ C / kg. تبلغ نسبة كتلة الشحنة للإلكترون حوالي 1750 ضعف أيون الهيدروجين.

لذلك فإن أشعة الكاثود بها شحنة أكبر بكثير ، أو ربما كتلة أقل بكثير من شحنة أيون الهيدروجين. أيون الهيدروجين هو ببساطة بروتون ، أصبح وجوده معروفًا بعد فترة طويلة من تجارب رذرفورد للتشتت.

من المعروف اليوم أن البروتون أكبر بنحو 1800 مرة من كتلة الإلكترون وبشحنة متساوية في الحجم وإشارة معاكسة لشحنة الإلكترون.

تفصيل آخر مهم هو أنه من خلال تجارب طومسون ، لم يتم تحديد الشحنة الكهربائية للإلكترون بشكل مباشر ، ولا قيمة كتلته بشكل منفصل. تم تحديد هذه القيم من خلال تجارب Millikan ، التي بدأت في عام 1906.

اختلافات نموذج طومسون ودالتون

الاختلاف الأساسي بين هذين النموذجين هو أن دالتون يعتقد أن الذرة هي كرة. على عكس طومسون ، لم يقترح وجود شحنات موجبة أو سلبية. بالنسبة لدالتون ، بدت الذرة هكذا:

دالتون ذرة

كما رأينا من قبل ، اعتقد طومسون أن الذرة قابلة للقسمة ، ويتكون هيكلها من كرة موجبة وإلكترونات حولها.

نموذج العيوب والقيود

في ذلك الوقت ، تمكن نموذج طومسون الذري من شرح السلوك الكيميائي للمواد بشكل جيد. كما شرح بدقة الظاهرة التي حدثت في أنبوب أشعة الكاثود.

لكن في الحقيقة لم يطلق طومسون على جسيماته اسم "إلكترونات" ، على الرغم من أن المصطلح قد صاغه في السابق جورج جونستون ستوني. دعاهم طومسون ببساطة "الجسيمات".

على الرغم من أن طومسون استفاد من كل المعرفة المتاحة له في ذلك الوقت ، إلا أن هناك العديد من القيود المهمة في نموذجه ، والتي أصبحت واضحة في وقت مبكر جدًا:

- الشحنة الموجبة غير موزعة في جميع أنحاء الذرة. أظهرت تجارب تشتت رذرفورد أن الشحنة الموجبة للذرة تقتصر بالضرورة على منطقة صغيرة من الذرة ، والتي أصبحت تُعرف فيما بعد بالنواة الذرية.

- للإلكترونات توزيع محدد داخل كل ذرة. لم يتم توزيع الإلكترونات بالتساوي ، مثل الزبيب في الحلوى الشهيرة ، ولكن بدلاً من ذلك لها ترتيب في المدارات كشفت عنه النماذج اللاحقة.

إن ترتيب الإلكترونات داخل الذرة بالتحديد هو الذي يسمح للعناصر أن تنظم حسب خصائصها وخصائصها في الجدول الدوري. كان هذا قيدًا مهمًا لنموذج طومسون ، والذي لم يستطع تفسير كيف كان من الممكن ترتيب العناصر بهذه الطريقة.

- النواة الذرية هي التي تحتوي على معظم الكتلة. افترض نموذج طومسون أن كتلة الذرة موزعة بشكل موحد داخلها. لكننا نعلم اليوم أن كتلة الذرة تتركز عمليا في البروتونات والنيوترونات في النواة.

من المهم أيضًا ملاحظة أن نموذج الذرة هذا لم يسمح باستنتاج نوع الحركة التي كانت للإلكترونات داخل الذرة.

مقالات ذات أهمية

نموذج شرودنغر الذري.

نموذج دي بروجلي الذري.

نموذج تشادويك الذري.

نموذج هايزنبرغ الذري.

نموذج بيرين الذري.

نموذج دالتون الذري.

نموذج ديراك الأردن الذري.

النموذج الذري لديموقريطس.

نموذج بوهر الذري.

نموذج سومرفيلد الذري.

المراجع

1. Andriessen، M. 2001. دورة HSC. الفيزياء 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken، G. 1984. فيزياء الجامعة. الصحافة الأكاديمية.
3. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
4. ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون.
5. ويكيبيديا. نموذج طومسون الذري. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.