THOMSONS ATOMMODELL: EIGENSCHAFTEN, POSTULATE, SUBATOMARE TEILCHEN - KÖRPERLICH - 2025

Das Atommodell von Thomson wurde vom berühmten englischen Physiker JJ Thomson erstellt, der das Elektron entdeckte. Für diese Entdeckung und seine Arbeit zur elektrischen Leitung in Gasen erhielt er 1906 den Nobelpreis für Physik.

Aus seiner Arbeit mit Kathodenstrahlen wurde klar, dass das Atom keine unteilbare Einheit war, wie Dalton im vorhergehenden Modell postuliert hatte, sondern eine genau definierte innere Struktur enthielt.

Thomson erstellte ein Modell des Atoms basierend auf den Ergebnissen seiner Experimente mit Kathodenstrahlen. Darin stellte er fest, dass das elektrisch neutrale Atom aus gleich großen positiven und negativen Ladungen bestand.

Wie hieß Thomsons Atommodell und warum?

Laut Thomson war die positive Ladung im gesamten Atom verteilt und die negativen Ladungen waren darin eingebettet, als wären sie Rosinen in einem Pudding. Aus diesem Vergleich ging der Begriff "Rosinenpudding" hervor, wie das Modell informell genannt wurde.

Joseph John Thomson

Obwohl Thomsons Idee heute ziemlich primitiv aussieht, war sie zu dieser Zeit ein neuartiger Beitrag. Während der kurzen Lebensdauer des Modells (von 1904 bis 1910) wurde es von vielen Wissenschaftlern unterstützt, obwohl viele andere es als Häresie betrachteten.

Schließlich tauchten 1910 neue Beweise für die Atomstruktur auf, und Thomsons Modell fiel schnell zur Seite. Dies geschah, sobald Rutherford die Ergebnisse seiner Streuexperimente veröffentlichte, die die Existenz des Atomkerns enthüllten.

Das Thomson-Modell war jedoch das erste, das die Existenz subatomarer Partikel postulierte, und seine Ergebnisse waren das Ergebnis feiner und strenger Experimente. Auf diese Weise setzte er den Präzedenzfall für alle folgenden Entdeckungen.

Eigenschaften und Postulate des Thomson-Modells

Thomson gelangte aufgrund mehrerer Beobachtungen zu seinem Atommodell. Das erste war, dass die von Röntgen neu entdeckten Röntgenstrahlen Luftmoleküle ionisieren konnten. Bis dahin war die einzige Möglichkeit zur Ionisierung die chemische Trennung von Ionen in Lösung.

Dem englischen Physiker gelang es jedoch, selbst einatomige Gase wie Helium mithilfe von Röntgenstrahlen erfolgreich zu ionisieren. Dies ließ ihn glauben, dass die Ladung im Inneren des Atoms getrennt werden könne und daher nicht unteilbar sei. Er beobachtete auch diese Kathodenstrahlen Sie könnten durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden.

JJ Thomson, Entdecker des Elektrons. Quelle: Lifeder.

Deshalb entwickelte Thomson ein Modell, das die Tatsache richtig erklärte, dass das Atom elektrisch neutral ist und dass Kathodenstrahlen aus negativ geladenen Teilchen bestehen.

Unter Verwendung experimenteller Beweise charakterisierte Thomson das Atom wie folgt:

-Das Atom ist eine elektrisch neutrale feste Kugel mit einem ungefähren Radius von 10 ^-10 m.

-Die positive Ladung ist mehr oder weniger gleichmäßig über die Kugel verteilt.

-Das Atom enthält negativ geladene "Körperchen", die seine Neutralität gewährleisten.

-Diese Körperchen sind in jeder Hinsicht gleich.

- Wenn sich das Atom im Gleichgewicht befindet, gibt es n Teilchen, die regelmäßig in Ringen innerhalb der Sphäre der positiven Ladung angeordnet sind.

-Die Masse des Atoms ist gleichmäßig verteilt.

Kathodenstrahlen

Elektronenstrahlen werden von der Kathode zur Anode gerichtet.

Thomson führte seine Experimente mit 1859 entdeckten Kathodenstrahlen durch. Kathodenstrahlen sind Bündel negativ geladener Teilchen. Zur Herstellung werden Vakuumglasröhren verwendet, in denen zwei Elektroden angeordnet sind, die als Kathode und Anode bezeichnet werden.

Es wird dann ein elektrischer Strom geleitet, der die Kathode erwärmt und auf diese Weise unsichtbare Strahlung abgibt, die direkt auf die gegenüberliegende Elektrode gerichtet ist.

Um Strahlung zu erfassen, die nichts anderes als Kathodenstrahlen ist, wird die Wand der Röhre hinter der Anode mit einem fluoreszierenden Material bedeckt. Wenn die Strahlung dort ankommt, gibt die Wand der Röhre eine intensive Leuchtkraft ab.

Wenn ein fester Gegenstand den Kathodenstrahlen im Weg steht, wirft er einen Schatten auf die Wand der Röhre. Dies zeigt an, dass sich die Strahlen in einer geraden Linie bewegen und dass sie leicht blockiert werden können.

Die Natur der Kathodenstrahlen wurde ausführlich diskutiert, da ihre Natur unbekannt war. Einige dachten, es handele sich um elektromagnetische Wellen, während andere argumentierten, sie seien Teilchen.

Subatomare Teilchen aus dem Thomson-Atommodell

Thomsons Atommodell ist, wie gesagt, das erste, das die Existenz subatomarer Teilchen postuliert. Thomsons Körperchen sind nichts anderes als Elektronen, die fundamentalen negativ geladenen Teilchen des Atoms.

Wir wissen jetzt, dass die beiden anderen fundamentalen Teilchen das positiv geladene Proton und das ungeladene Neutron sind.

Diese wurden jedoch zu dem Zeitpunkt, als Thomson sein Modell entwickelte, nicht entdeckt. Die positive Ladung im Atom war darin verteilt, es wurden keine Teilchen als Träger dieser Ladung angesehen, und im Moment gab es keine Hinweise auf ihre Existenz.

Aus diesem Grund hatte sein Modell eine flüchtige Existenz, da Rutherfords Streuexperimente im Laufe einiger Jahre den Weg für die Entdeckung des Protons ebneten. Und was das Neutron betrifft, so schlug Rutherford selbst seine Existenz einige Jahre vor seiner endgültigen Entdeckung vor.

Crookes Rohr

Sir William Crookes (1832-1919) entwarf die Röhre, die um 1870 seinen Namen trägt, mit der Absicht, die Natur der Kathodenstrahlen sorgfältig zu untersuchen. Er fügte elektrische Felder und Magnetfelder hinzu und beobachtete, dass die Strahlen von ihnen abgelenkt wurden.

Kathodenstrahlröhrenschema. Quelle: Knight, R.

Auf diese Weise stellten Crookes und andere Forscher, einschließlich Thomson, fest, dass:

1. Innerhalb der Kathodenstrahlröhre wurde ein elektrischer Strom erzeugt
2. Die Strahlen wurden durch das Vorhandensein von Magnetfeldern auf die gleiche Weise abgelenkt wie negativ geladene Teilchen.
3. Jedes Metall, das zur Herstellung der Kathode verwendet wurde, war gleich gut bei der Erzeugung von Kathodenstrahlen, und ihr Verhalten war unabhängig vom Material.

Diese Beobachtungen haben die Diskussion über den Ursprung von Kathodenstrahlen angeheizt. Diejenigen, die behaupteten, es handele sich um Wellen, beruhten auf der Tatsache, dass sich Kathodenstrahlen in einer geraden Linie bewegen konnten. Darüber hinaus erklärte diese Hypothese sehr gut den Schatten, den ein zwischengeschalteter fester Gegenstand auf die Wand der Röhre warf, und unter bestimmten Umständen war bekannt, dass die Wellen Fluoreszenz verursachen könnten.

Stattdessen wurde nicht verstanden, wie Magnetfelder Kathodenstrahlen ablenken konnten. Dies könnte nur erklärt werden, wenn diese Strahlen als Teilchen betrachtet würden, eine Hypothese, die Thomson teilte.

Geladene Teilchen in gleichmäßigen elektrischen und magnetischen Feldern

Ein geladenes Teilchen mit der Ladung q erfährt eine Kraft Fe in der Mitte eines gleichmäßigen elektrischen Feldes E von der Größe:

Fe = qE

Wenn ein geladenes Teilchen senkrecht durch ein gleichmäßiges elektrisches Feld geht, wie dasjenige, das zwischen zwei Platten mit entgegengesetzten Ladungen erzeugt wird, erfährt es eine Ablenkung und folglich eine Beschleunigung:

qE = ma

a = qE / m

Wenn sich andererseits das geladene Teilchen mit einer Geschwindigkeit der Größe v in der Mitte eines gleichmäßigen Magnetfelds der Größe B bewegt, hat die Magnetkraft Fm, die es erfährt, die folgende Intensität:

Fm = qvB

Solange die Geschwindigkeits- und Magnetfeldvektoren senkrecht sind. Wenn ein geladenes Teilchen senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld ist, erfährt es ebenfalls eine Ablenkung und seine Bewegung ist gleichmäßig kreisförmig.

Die zentripetale Beschleunigung a _{c ist} in diesem Fall:

qvB = ma _c

Die zentripetale Beschleunigung hängt wiederum mit der Geschwindigkeit des Teilchens v und dem Radius R der Kreisbahn zusammen:

a _c = v ² / R.

So:

qvB = mv ² / R.

Der Radius der Kreisbahn könnte wie folgt berechnet werden:

R = mv / qB

Später werden diese Gleichungen verwendet, um die Art und Weise wiederherzustellen, wie Thomson die Ladung-Masse-Beziehung des Elektrons abgeleitet hat.

Thomsons Experiment

Thomson ließ einen Strahl von Kathodenstrahlen, einen Elektronenstrahl, obwohl er es noch nicht wusste, durch gleichmäßige elektrische Felder durch. Diese Felder werden zwischen zwei geladenen leitenden Platten erzeugt, die durch einen kleinen Abstand voneinander getrennt sind.

Er leitete auch Kathodenstrahlen durch ein gleichmäßiges Magnetfeld und beobachtete die Wirkung, die dies auf den Strahl hatte. Sowohl auf dem einen als auch auf dem anderen Feld gab es eine Ablenkung der Strahlen, was Thomson zu der richtigen Annahme veranlasste, dass der Strahl aus geladenen Teilchen bestand.

Um dies zu überprüfen, führte Thomson verschiedene Strategien mit Kathodenstrahlen durch:

1. Er variierte die elektrischen und magnetischen Felder, bis sich die Kräfte auflösten. Auf diese Weise passierten die Kathodenstrahlen ohne Ablenkung. Durch Gleichsetzen der elektrischen und magnetischen Kräfte konnte Thomson die Geschwindigkeit der Partikel im Strahl bestimmen.
2. Er hob die Intensität des elektrischen Feldes auf, auf diese Weise folgten die Teilchen einer Kreisbahn in der Mitte des Magnetfeldes.
3. Er kombinierte die Ergebnisse der Schritte 1 und 2, um die Ladungs-Massen-Beziehung der "Körperchen" zu bestimmen.

Das Ladungs-Massen-Verhältnis des Elektrons

Thomson stellte fest, dass das Ladungs-Massen-Verhältnis der Teilchen, aus denen der Kathodenstrahl besteht, den folgenden Wert hat:

q / m = 1,758820 × 10 11 C.kg-1.

Wobei q die Ladung des "Korpuskels" darstellt, der eigentlich das Elektron ist, und m seine Masse ist. Thomson folgte dem im vorherigen Abschnitt beschriebenen Verfahren, das wir hier Schritt für Schritt mit den von ihm verwendeten Gleichungen neu erstellen.

Wenn Kathodenstrahlen durch die gekreuzten elektrischen und magnetischen Felder gehen, passieren sie ohne Ablenkung. Wenn das elektrische Feld aufgehoben wird, treffen sie auf den oberen Teil der Röhre (das Magnetfeld wird durch die blauen Punkte zwischen den Elektroden angezeigt). Quelle: Knight, R.

Schritt 1

Gleichen Sie die elektrische Kraft und die magnetische Kraft aus, indem Sie den Strahl durch die senkrechten elektrischen und magnetischen Felder leiten:

qvB = qE

Schritt 2

Bestimmen Sie die Geschwindigkeit, die die Partikel im Strahl erfassen, wenn sie direkt ohne Ablenkung passieren:

v = E / B.

Schritt 3

Löschen Sie das elektrische Feld und lassen Sie nur das Magnetfeld übrig (jetzt gibt es eine Ablenkung):

R = mv / qB

Mit v = E / B ergibt sich:

R = mE / qB ²

Der Radius der Umlaufbahn kann daher gemessen werden:

q / m = v / RB

Ach ja:

q / m = E / RB ²

Nächste Schritte

Als nächstes maß Thomson das q / m-Verhältnis mit Kathoden aus verschiedenen Materialien. Wie bereits erwähnt, emittieren alle Metalle Kathodenstrahlen mit identischen Eigenschaften.

Dann verglich Thomson ihre Werte mit denen des Verhältnisses q / m des Wasserstoffions, das durch Elektrolyse erhalten wurde und dessen Wert ungefähr 1 × 10 ⁸ C / kg beträgt . Das Ladungs-Massen-Verhältnis des Elektrons beträgt ungefähr das 1750-fache des Wasserstoffions.

Daher hatten die Kathodenstrahlen eine viel größere Ladung oder vielleicht eine Masse, die viel geringer als die des Wasserstoffions war. Das Wasserstoffion ist einfach ein Proton, dessen Existenz lange nach Rutherfords Streuexperimenten bekannt wurde.

Heute ist bekannt, dass das Proton fast 1800-mal massereicher als das Elektron ist und eine Ladung von gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen zu der des Elektrons aufweist.

Ein weiteres wichtiges Detail ist, dass bei Thomsons Experimenten weder die elektrische Ladung des Elektrons noch der Wert seiner Masse separat bestimmt wurden. Diese Werte wurden durch die Millikan-Experimente bestimmt, die 1906 begannen.

Modellunterschiede zwischen Thomson und Dalton

Der grundlegende Unterschied dieser beiden Modelle besteht darin, dass Dalton dachte, das Atom sei eine Kugel. Im Gegensatz zu Thomson schlug er keine positiven oder negativen Ladungen vor. Für Dalton sah ein Atom so aus:

Dalton-Atom

Wie wir zuvor gesehen haben, dachte Thomson, dass das Atom teilbar sei und dessen Struktur durch eine positive Kugel und Elektronen um es herum gebildet werde.

Modellfehler und Einschränkungen

Zu dieser Zeit gelang es Thomsons Atommodell, das chemische Verhalten von Substanzen sehr gut zu erklären. Er erklärte auch genau die Phänomene, die in der Kathodenstrahlröhre auftraten.

Tatsächlich nannte Thomson seine Teilchen nicht einmal "Elektronen", obwohl der Begriff bereits zuvor von George Johnstone Stoney geprägt worden war. Thomson nannte sie einfach "Körperchen".

Obwohl Thomson alle ihm damals zur Verfügung stehenden Kenntnisse nutzte, weist sein Modell einige wichtige Einschränkungen auf, die sich sehr früh bemerkbar machten:

- Die positive Ladung ist nicht im gesamten Atom verteilt . Die Rutherford-Streuexperimente zeigten, dass die positive Ladung des Atoms notwendigerweise auf einen kleinen Bereich des Atoms beschränkt ist, der später als Atomkern bekannt wurde.

- Elektronen haben eine spezifische Verteilung innerhalb jedes Atoms . Die Elektronen sind nicht gleichmäßig verteilt, wie die Rosinen im berühmten Pudding, sondern haben eine Anordnung in Orbitalen, die spätere Modelle enthüllten.

Es ist genau die Anordnung der Elektronen innerhalb des Atoms, die es ermöglicht, die Elemente nach ihren Eigenschaften und Eigenschaften im Periodensystem zu organisieren. Dies war eine wichtige Einschränkung des Thomson-Modells, die nicht erklären konnte, wie es möglich war, Elemente auf diese Weise zu ordnen.

- Der Atomkern enthält den größten Teil der Masse. Thomsons Modell postulierte, dass die Masse des Atoms gleichmäßig darin verteilt war. Aber heute wissen wir, dass die Masse des Atoms praktisch in den Protonen und Neutronen des Kerns konzentriert ist.

Es ist auch wichtig anzumerken, dass dieses Modell des Atoms keinen Rückschluss auf die Art der Bewegung zuließ, die die Elektronen innerhalb des Atoms hatten.

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Verweise

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5. Wikipedia. Thomsons Atommodell. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.