Modelo de Thomson del átomo

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El modelo de Thomson (a veces también llamado " modelo del átomo de pudín ") es un modelo del átomo propuesto en 1904 por Joseph John Thomson [1] . Poco después del descubrimiento del electrón , pero incluso antes del descubrimiento del núcleo atómico , el modelo intentó explicar dos propiedades entonces conocidas de los átomos: que los electrones son partículas cargadas negativamente y que los átomos no tienen carga eléctrica neta. El modelo de pudín de pasas tiene electrones rodeados por un volumen de carga positiva, como "pasas" cargadas negativamente incrustadas en un "pudín" cargado positivamente.

Historia

En este modelo, se sabía que los átomos están compuestos de electrones cargados negativamente. Aunque Thomson los llamó "corpúsculos", se los llamó más comúnmente "electrones", que J. J. Stoney propuso como la "unidad fundamental de cantidad de electricidad" en 1891 [2] . En ese momento, se sabía que los átomos no tenían carga eléctrica neta. Para explicar esto, Thomson sabía que los átomos también deben tener una fuente de carga positiva para equilibrar la carga negativa de los electrones. Después de su descubrimiento del electrón en 1897 , Thomson construyó un modelo del átomo para explicar los hechos experimentales establecidos en ese momento:

En un artículo [3] publicado en marzo de 1904 en Philosophical Magazine , Thomson consideró tres opciones plausibles para la posible estructura del átomo, explicando su neutralidad eléctrica y otras propiedades:

Thomson en este artículo sugirió que la estructura del átomo según el tercer modelo es la más probable. En el mismo artículo, Thomson rechaza el modelo de "vórtice" de la estructura del átomo que había propuesto anteriormente. Thomson llama a los electrones "corpúsculos cargados", aunque allá por 1894, J. J. Stoney, en un artículo publicado en la misma revista, sugirió llamar "átomos de electricidad" electrones [4] .

Thomson escribió:

…los átomos de los elementos consisten en varios corpúsculos cargados negativamente encerrados en una esfera con una carga eléctrica positiva uniformemente distribuida…

Al avanzar en el modelo pudín del átomo, Thomson abandonó su anterior hipótesis del "átomo nebular" de 1890, basada en la teoría atómica de los vórtices, en la que los átomos consistían en vórtices inmateriales. Sugirió que existe una similitud entre la disposición de los vórtices y la regularidad periódica que se encuentra entre los elementos químicos [5] . Ahora bien, al menos una parte del átomo consistía en corpúsculos microscópicos de Thomson cargados negativamente, aunque el resto de la parte cargada positivamente del átomo seguía siendo bastante vago y mal definido. Un científico astuto y práctico, Thomson basó su modelo atómico en datos experimentales conocidos de la época. Su propuesta de una carga espacial positiva refleja la naturaleza de su enfoque científico del descubrimiento, que consistía en ofrecer ideas para futuros experimentos.

Descripción del modelo

Un átomo, según Thomson, consta de electrones colocados en una "sopa" cargada positivamente que compensa las cargas eléctricamente negativas de los electrones, en sentido figurado, como " pasas " cargadas negativamente en un " pudín " cargado positivamente . Se suponía que los electrones estaban distribuidos por todo el volumen de todo el átomo. Se consideraron varias variantes de la posible disposición de los electrones en el interior del átomo, en particular, la agrupación de los electrones en forma de anillos giratorios. En algunas versiones del modelo, en lugar de una nube uniformemente cargada, se propuso una "nube" con una carga esféricamente simétrica y de densidad variable.

Según este modelo, los electrones podrían girar libremente en una gota o nube de una sustancia con carga positiva. Sus órbitas estaban estabilizadas dentro del átomo por el hecho de que cuando un electrón se aleja del centro de una nube cargada positivamente, experimenta un aumento en la fuerza de atracción hacia el centro de la nube, devolviéndola, ya que había más sustancia. de la carga opuesta dentro de su órbita que fuera (según el teorema de Gauss electrostático ) y la fuerza de atracción al centro de una nube esférica uniformemente cargada es directamente proporcional a la distancia a su centro.

En el modelo de Thomson, los electrones podían girar libremente en órbitas anulares, que se estabilizaban mediante interacciones entre electrones, y los espectros lineales se explicaban por la diferencia de energía al moverse a lo largo de diferentes órbitas anulares.

Más tarde, Thomson trató de explicar las líneas espectrales brillantes de algunos elementos químicos usando su modelo, pero no tuvo mucho éxito en esto.

Sin embargo, el modelo de Thomson (así como un modelo similar de los anillos de Saturno para los electrones de los átomos, que Nagaoka también presentó en 1904 , por analogía con el modelo de los anillos de Saturno de James Clerk Maxwell ) se convirtió en un precursor temprano del modelo posterior y más avanzado. exitoso modelo de Bohr , que representa el átomo como un sistema solar semejanza.

El procesamiento electrostático clásico de electrones confinados a puntos cuánticos esféricos también es similar a su procesamiento en el modelo de pudín [6] [7] .

El modelo de Thomson ha sido comparado (pero no consigo mismo) con el postre británico, el pudín de pasas , de ahí el nombre de este modelo.

Una refutación experimental del modelo de Thomson

El modelo del átomo de Thomson de 1904 fue refutado en el experimento de dispersión de partículas alfa en lámina de oro de 1909 , que fue analizado por Ernest Rutherford en 1911 [8] [9] , quien sugirió que el átomo tiene un núcleo muy pequeño que contiene una carga positiva muy grande. (en el caso del oro, suficiente para compensar la carga de unos 100 electrones), lo que condujo al modelo planetario del átomo de Rutherford . Aunque el número atómico del oro es 79, inmediatamente después de la publicación del artículo de Rutherford en 1911 [10] [11] , Antonius van den Broek planteó la suposición intuitiva de que el número atómico es la carga del núcleo, expresada en unidades elementales. cobrar.

Se necesitaba un experimento para confirmar esta hipótesis. En 1913, Henry Moseley demostró experimentalmente (ver la ley de Moseley ) que la carga del núcleo en las cargas elementales es muy cercana al número atómico (la desviación experimental encontrada por Moseley no era más de uno), y Moseley se refirió únicamente al trabajo de Van den Broek y Rutherford. Este trabajo finalmente condujo a la creación en el mismo año del modelo del átomo de Bohr, similar al sistema solar (pero con restricciones cuánticas), en el que un núcleo con una carga positiva igual al número atómico está rodeado por un número igual. de electrones en capas orbitales.

Al considerar el modelo de Thomson, se formuló un problema aún no resuelto de física matemática  : encontrar la configuración de muchas cargas con la energía potencial más baja en la esfera: el problema de Thomson [12] .

Notas

  1. ↑ Modelo de pudín de ciruela , Universe Today  (27 de agosto de 2009). Archivado desde el original el 30 de julio de 2018. Consultado el 19 de diciembre de 2015.
  2. ↑ O'Hara, JG George Johnstone Stoney, FRS y el concepto del electrón  //  Notas y registros de la Royal Society de Londres : diario. - Royal Society, 1975. - Marzo ( vol. 29 , no. 2 ). - pág. 265-276 . -doi : 10.1098 / rsnr.1975.0018 . — .
  3. ↑ JJ Thomson. Sobre la estructura del átomo: una investigación de la estabilidad y los períodos de oscilación de varios corpúsculos dispuestos a intervalos iguales alrededor de la circunferencia de un círculo; con Aplicación de los Resultados a la Teoría de la Estructura Atómica  (Inglés)  // Revista Filosófica Serie 6 : revista. - 1904. - Vol. 7 , núm. 39 . — Pág. 237 . -doi : 10.1080 / 14786440409463107 .
  4. ↑ GJ Stoney,. Del "Electrón" o Átomo de la Electricidad (neopr.)  // Revista Filosófica , Serie 5. - 1894. - V. 38 . - S. 418-420 .  
  5. ↑ Kragh, Helge. Generaciones cuánticas: una historia de la física en el siglo XX  (inglés) . — Reimpresión. — Prensa de la Universidad de Princeton , 2002. — ISBN 978-0691095523 .
  6. ↑ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. Átomos artificiales de muchos electrones  (inglés)  // Physical Review B  : revista. - 1999. - vol. 59 , núm. 20 _ - Pág. 13036-13042 . -doi : 10.1103 / PhysRevB.59.13036 . - .
  7. ↑ LaFave, T., Jr. Correspondencias entre el problema clásico de Thomson electrostático y la estructura electrónica atómica  (inglés)  // J. Electrostatics: revista. - 2013. - Vol. 71 , núm. 6 _ - P. 1029-1035 . -doi : 10.1016/ j.elstat.2013.10.001 . - arXiv : 1403.2591 .
  8. ↑ Joseph A. Angelo. Tecnología Nuclear (indefinido) . -Grupo editorial Greenwood , 2004. -ISBN 1-57356-336-6 .  
  9. ↑ Akhlesh Lakhtakia (Ed.). Modelos y Modeladores de Hidrógeno  (indefinido) . - World Scientific, 1996. - ISBN 981-02-2302-1 .
  10. ↑ Angelo, Joseph A. Tecnología  nuclear . - Greenwood Publishing , 2004 . - P.  110 . — ISBN 978-1-57356-336-9 .
  11. ↑ Salpeter, Edwin E. Modelos y modeladores de hidrógeno  (sin especificar) / Lakhtakia, Akhlesh. - World Scientific , 1996. - T. 65. - S. 933-934. - ISBN 978-981-02-2302-1 . -doi : 10.1119/ 1.18691 .
  12. ↑ Levin, Y.; Arenzon, JJ Por qué las cargas van a la superficie: un problema de Thomson generalizado   // Europhys . Letón.  : diario. - 2003. - vol. 63 . - P. 415-418 . -doi : 10.1209 / epl/i2003-00546-1 . - . -arXiv : cond - mat/0302524 .
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