THOMSON의 원자 모델 : 특성, 가정, 아 원자 입자 - 물리적 인 - 2025

Thomson 의 원자 모델은 전자를 발견 한 유명한 영국의 물리학 자 JJ Thomson이 만들었습니다. 이 발견과 가스의 전기 전도에 대한 그의 연구로 그는 1906 년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

음극선에 대한 그의 연구에서 Dalton이 이전 모델에서 가정 한 것처럼 원자는 분할 할 수없는 개체가 아니라 잘 정의 된 내부 구조를 포함하고 있음이 분명해졌습니다.

Thomson은 음극선 실험 결과를 바탕으로 원자 모델을 만들었습니다. 그 안에 그는 전기적으로 중성 인 원자가 동일한 크기의 양전하와 음전하로 구성되어 있다고 말했습니다.

Thomson의 원자 모델은 무엇이며 그 이유는 무엇입니까?

Thomson에 따르면, 양전하가 원자 전체에 분포하고 음전하가 마치 푸딩의 건포도처럼 그 안에 박혀 있었다고합니다. 이 비교에서 모델이 비공식적으로 알려진 것처럼 "건포도 푸딩"이라는 용어가 나왔습니다.

조셉 존 톰슨

Thomson의 아이디어는 오늘날 매우 원시적으로 보이지만 당시에는 새로운 공헌을 나타 냈습니다. 모델의 짧은 수명 (1904 년부터 1910 년까지) 동안 많은 과학자들이 이단으로 간주했지만 많은 과학자들의 지원을 받았습니다.

마침내 1910 년 원자 구조에 대한 새로운 증거가 나타 났고 Thomson의 모델은 빠르게 옆으로 떨어졌습니다. 이것은 Rutherford가 그의 산란 실험 결과를 발표하자마자 발생하여 원자핵의 존재가 밝혀졌습니다.

그러나 Thomson의 모델은 아 원자 입자의 존재를 처음으로 가정했으며 그 결과는 정밀하고 엄격한 실험의 결실이었습니다. 이런 식으로 그는 이후의 모든 발견에 대한 선례를 세웠습니다.

Thomson 모델의 특성 및 가정

Thomson은 몇 가지 관찰을 바탕으로 그의 원자 모델에 도달했습니다. 첫 번째는 뢴트겐이 새로 발견 한 X 선이 공기 분자를 이온화 할 수 있다는 것입니다. 그때까지 이온화하는 유일한 방법은 용액에서 이온을 화학적으로 분리하는 것뿐이었습니다.

그러나 영국의 물리학자는 X 선을 이용하여 헬륨과 같은 단원 자 가스까지도 성공적으로 이온화 할 수 있었으며, 이로 인해 원자 내부의 전하가 분리 될 수 있다는 믿음을 갖게되었고, 따라서 그것은 분리 될 수 없다고 믿게되었습니다. 그들은 전기장과 자기장에 의해 편향 될 수 있습니다.

JJ Thomson, 전자 발견 자. 출처 : Lifeder.

그래서 Thomson은 원자가 전기적으로 중성이고 음극선이 음으로 하전 된 입자로 구성되어 있다는 사실을 정확하게 설명하는 모델을 고안했습니다.

실험적 증거를 사용하여 Thomson은 원자를 다음과 같이 특성화했습니다.

-원자는 전기적으로 중성 인 고체 구체이며 대략 반경은 ^10-10m 입니다.

-양전하는 구 전체에 다소 균일하게 분포됩니다.

-원자는 중성을 보장하는 음전하를 띤 "체"를 포함합니다.

-이 소체는 모든 문제에 대해 동일합니다.

-원자가 평형 상태에있을 때 양전하의 구 안에 고리에 규칙적으로 배열 된 n 개의 소체가 있습니다.

-원자의 질량이 고르게 분포되어 있습니다.

음극선

전자빔은 음극에서 양극으로 향합니다.

Thomson은 1859 년에 발견 된 음극선을 사용하여 실험을 수행했습니다. 음극선은 음으로 하전 된 입자 다발입니다. 이를 생산하기 위해 진공 유리 튜브가 사용되며 음극과 양극이라고 불리는 두 개의 전극이 배치됩니다.

그런 다음 음극을 가열하는 전류가 흐르고, 이러한 방식으로 반대쪽 전극으로 직접 향하는 보이지 않는 방사선을 방출합니다.

음극선에 불과한 방사선을 감지하기 위해 양극 뒤의 튜브 벽은 형광 물질로 덮여 있습니다. 방사선이 거기에 도달하면 튜브 벽이 강렬한 광도를 발산합니다.

고체 물체가 음극선을 방해하면 튜브 벽에 그림자를 드리 웁니다. 이것은 광선이 직선으로 이동하고 쉽게 차단 될 수 있음을 나타냅니다.

음극선의 특성은 알려지지 않았기 때문에 널리 논의되었습니다. 어떤 사람들은 전자기파라고 생각했고 다른 사람들은 입자라고 주장했습니다.

Thomson 원자 모델의 아 원자 입자

Thomson의 원자 모델은 우리가 말했듯이 아 원자 입자의 존재를 가정 한 최초의 모델입니다. Thomson의 소체는 원자의 근본적인 음으로 하전 된 입자 인 전자 일뿐입니다.

이제 우리는 다른 두 가지 기본 입자가 양전하를 띤 양성자와 하전되지 않은 중성자라는 것을 알고 있습니다.

그러나 이것들은 Thomson이 그의 모델을 개발할 때 발견되지 않았습니다. 원자의 양전하는 그 안에 분포되어 있었으며,이 전하를 운반하는 입자를 고려하지 않았으며 현재 그 존재에 대한 증거가 없었습니다.

이러한 이유로 그의 모델은 몇 년 동안 Rutherford의 산란 실험이 양성자를 발견하는 길을 열었 기 때문에 일시적인 존재를 가졌습니다. 그리고 중성자에 관해서는 Rutherford 자신이 그것이 마침내 발견되기 몇 년 전에 그 존재를 제안했습니다.

Crookes 관

William Crookes (1832-1919) 경은 음극선의 특성을주의 깊게 연구 할 목적으로 1870 년경에 그의 이름이 붙은 튜브를 설계했습니다. 그는 전기장과 자기장을 추가하고 광선이 그들에 의해 편향되는 것을 관찰했습니다.

음극선 관 방식. 출처 : Knight, R.

이러한 방식으로 Crookes와 Thomson을 포함한 다른 연구자들은 다음을 발견했습니다.

1. 음극선 관 내부에 전류가 발생했습니다.
2. 광선은 음으로 하전 된 입자와 같은 방식으로 자기장의 존재에 의해 편향되었습니다.
3. 음극을 만드는 데 사용 된 모든 금속은 음극선을 생성하는 데 똑같이 우수했으며 그 거동은 재료와 무관했습니다.

이러한 관찰은 음극선의 기원에 대한 논의를 촉진했습니다. 파동이라고 주장한 사람들은 음극선이 직선으로 이동할 수 있다는 사실에 근거했습니다. 더욱이이 가설은 튜브 벽에 단단한 물체가 끼어있는 그림자를 매우 잘 설명하고 있으며, 특정 상황에서 파동이 형광을 유발할 수 있다고 알려져 있습니다.

그러나 대신 자기장이 음극선을 편향시키는 것이 어떻게 가능한지 이해되지 않았습니다. 이것은 이러한 광선이 Thomson이 공유 한 가설 인 입자로 간주되는 경우에만 설명 될 수 있습니다.

균일 한 전기장 및 자기장의 하전 입자

전하 q를 가진 하전 입자는 균일 한 전기장 E의 중간에서 힘 Fe를 경험합니다.

Fe = qE

하전 입자가 반대 전하를 가진 두 개의 판 사이에서 생성되는 것과 같은 균일 한 전기장을 수직으로 통과하면 편향을 경험하고 결과적으로 가속을 경험합니다.

qE = ma

a = qE / m

반면에 하전 입자가 크기 B의 균일 한 자기장의 중간에서 크기 v의 속도로 이동하면, 그것이 경험하는 자기력 Fm은 다음과 같은 강도를 갖습니다.

Fm = qvB

속도와 자기장 벡터가 수직 인 한. 하전 입자가 균일 한 자기장에 수직 일 때, 또한 편향을 경험하고 그 운동은 균일 한 원형입니다.

이 경우 구심 가속도 a _c 는 다음과 같습니다.

QVB = MA의 _C

차례로 구심 가속도는 입자 v의 속도와 원형 경로의 반경 R과 관련이 있습니다.

a _c = v ² / R

그러므로:

qvB = mv ² / R

원형 경로의 반경은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

R = mv / qB

나중에 이러한 방정식은 Thomson이 전자의 전하 질량 관계를 유도하는 방식을 재현하는 데 사용됩니다.

톰슨의 실험

Thomson은 아직 알지 못했지만 균일 한 전기장을 통해 전자빔 인 음극선을 통과했습니다. 이 필드는 작은 거리로 분리 된 두 개의 대전 된 전도 판 사이에 생성됩니다.

그는 또한 균일 한 자기장을 통해 음극선을 통과시켜 이것이 빔에 미치는 영향을 관찰했습니다. 한 분야와 다른 분야에서 광선의 편향이 있었기 때문에 Thomson은 광선이 하전 입자로 구성되어 있다고 정확하게 생각했습니다.

이를 확인하기 위해 Thomson은 음극선으로 몇 가지 전략을 수행했습니다.

1. 그는 힘이 상쇄 될 때까지 전기장과 자기장을 변화 시켰습니다. 이러한 방식으로 음극선은 편향을 경험하지 않고 통과합니다. 전기력과 자기력을 동일시함으로써 Thomson은 빔에있는 입자의 속도를 결정할 수있었습니다.
2. 그것은 전기장의 강도를 무효화 시켰고, 이런 식으로 입자들은 자기장의 중간에있는 원형 경로를 따라 갔다.
3. 그는 1 단계와 2 단계의 결과를 결합하여 "corpuscles"의 전하 질량 관계를 결정했습니다.

전자의 전하 질량 비율

Thomson은 음극선 빔을 구성하는 입자의 전하 질량 비율이 다음 값을 갖는다 고 결정했습니다.

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

여기서 q는 실제로 전자 인 "corpuscle"의 전하를 나타내고 m은 질량을 나타냅니다. Thomson은 이전 섹션에서 설명한 절차를 따랐으며 여기에서 사용한 방정식을 사용하여 단계별로 다시 생성했습니다.

음극선은 교차 된 전기장과 자기장을 통과 할 때 편향없이 통과합니다. 전기장이 취소되면 튜브의 윗부분에 부딪 힙니다 (자기장은 전극 사이의 파란색 점으로 표시됨). 출처 : Knight, R.

1 단계

수직 전기장과 자기장을 통해 빔을 통과시켜 전기력과 자기력을 균등화합니다.

qvB = qE

2 단계

빔 입자가 편향없이 직접 통과 할 때 얻은 속도를 결정합니다.

v = E / B

3 단계

전기장을 취소하고 자기장 만 남겨 둡니다 (이제 편향이 있음).

R = mv / qB

v = E / B로 결과 :

R = mE / qB ²

궤도의 반경을 측정 할 수 있습니다.

q / m = v / RB

오 잘 :

q / m = E / RB ²

다음 단계

Thomson이 다음으로 한 일은 다른 재료로 만든 음극을 사용하여 q / m 비율을 측정하는 것이 었습니다. 앞서 언급했듯이 모든 금속은 동일한 특성을 가진 음극선을 방출합니다.

그런 다음 Thomson은 그 값을 전기 분해로 얻은 수소 이온의 비율 q / m 값과 약 1 x 10 ⁸ C / kg 의 값과 비교했습니다 . 전자의 전하 질량 비율은 수소 이온의 약 1750 배입니다.

따라서 음극선은 훨씬 더 큰 전하를 가졌거나 아마도 수소 이온보다 훨씬 적은 질량을 가졌습니다. 수소 이온은 단순히 양성자이며, 그 존재는 러더 포드의 산란 실험 이후 오랫동안 알려졌습니다.

오늘날 양성자는 전자보다 거의 1800 배 더 무겁고 같은 크기의 전하와 전자와 반대 부호를 가지고있는 것으로 알려져 있습니다.

또 다른 중요한 세부 사항은 Thomson의 실험에서 전자의 전하가 직접 결정되지 않았고 질량 값이 별도로 결정되지 않았다는 것입니다. 이 값은 1906 년에 시작된 Millikan 실험에 의해 결정되었습니다.

Thomson과 Dalton 모델 차이

이 두 모델의 근본적인 차이점은 Dalton이 원자가 구체라고 생각했다는 것입니다. Thomson과 달리, 그는 양전하 또는 음전하의 존재를 제안하지 않았습니다. Dalton의 경우 원자는 다음과 같습니다.

달튼 원자

이전에 보았 듯이 Thomson은 원자가 나눌 수 있고 그 구조는 양의 구와 그 주위의 전자에 의해 형성된다고 생각했습니다.

모델 결함 및 한계

당시 Thomson의 원자 모델은 물질의 화학적 거동을 매우 잘 설명 할 수있었습니다. 그는 또한 음극선 관에서 발생한 현상을 정확하게 설명했습니다.

그러나 사실 Thomson은 이전에 George Johnstone Stoney에 의해이 용어가 이미 만들어졌지만 그의 입자를 "전자"라고 부르지도 않았습니다. Thomson은 단순히 "체"라고 불렀습니다.

Thomson은 당시 그에게 사용할 수있는 모든 지식을 사용했지만 그의 모델에는 몇 가지 중요한 제한 사항이 있으며 이는 매우 초기에 분명해졌습니다.

- 양전하는 원자 전체에 분포하지 않습니다 . 러더 포드 산란 실험은 원자의 양전하가 반드시 원자의 작은 영역에 국한되어 있으며 나중에 원자핵으로 알려짐을 보여주었습니다.

- 전자는 각 원자 내에 특정 분포를 가지고 있습니다 . 전자는 유명한 푸딩의 건포도와 같이 균등하게 분포되어 있지 않지만 대신 이후 모델에서 밝혀진 궤도에 배열되어 있습니다.

주기율표의 특성과 특성에 따라 원소를 구성 할 수있는 것은 원자 내의 전자 배열입니다. 이것은 Thomson 모델의 중요한 한계였으며, 이러한 방식으로 요소를 정렬하는 것이 어떻게 가능했는지 설명 할 수 없었습니다.

- 원자핵은 대부분의 질량을 포함하는 핵입니다. Thomson의 모델은 원자의 질량이 그 안에 균일하게 분포되어 있다고 가정했습니다. 그러나 오늘날 우리는 원자의 질량이 핵의 양성자와 중성자에 실질적으로 집중되어 있음을 알고 있습니다.

이 원자 모델은 전자가 원자 내에서 가졌던 움직임의 유형을 추론 할 수 없었 음을 주목하는 것도 중요합니다.

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