MÔ HÌNH NGUYÊN TỬ CỦA THOMSON: ĐẶC ĐIỂM, ĐỊNH ĐỀ, CÁC HẠT HẠ NGUYÊN TỬ - VẬT LÝ - 2026

Các mô hình nguyên tử của Thomson đã được tạo ra bởi sự nổi tiếng vật lí người Anh JJ Thomson, người phát hiện ra electron. Với khám phá này và công trình nghiên cứu sự dẫn điện trong chất khí, ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1906.

Từ nghiên cứu của ông với tia âm cực, rõ ràng là nguyên tử không phải là một thực thể không thể phân chia, như Dalton đã mặc định trong mô hình trước, nhưng chứa một cấu trúc bên trong được xác định rõ ràng.

Thomson đã tạo ra một mô hình nguyên tử dựa trên kết quả thí nghiệm của ông với tia âm cực. Trong đó, ông nói rằng nguyên tử trung hòa về điện được tạo thành từ các điện tích âm và dương có độ lớn bằng nhau.

Mô hình nguyên tử của Thomson được gọi là gì và tại sao?

Theo Thomson, điện tích dương được phân bố khắp nguyên tử và các điện tích âm được nhúng trong đó như thể chúng là nho khô trong một chiếc bánh pudding. Từ sự so sánh này đã hình thành thuật ngữ "bánh pudding nho khô", vì mô hình này được biết đến một cách không chính thức.

Joseph John Thomson

Mặc dù ngày nay ý tưởng của Thomson trông khá sơ khai, nhưng vào thời điểm đó, nó đã thể hiện một đóng góp mới. Trong thời gian tồn tại ngắn ngủi của mô hình (từ 1904 đến 1910), nó đã nhận được sự ủng hộ của nhiều nhà khoa học, mặc dù nhiều người khác cho rằng nó là dị giáo.

Cuối cùng vào năm 1910 bằng chứng mới xuất hiện về cấu trúc nguyên tử, và mô hình của Thomson nhanh chóng rơi sang một bên. Điều này xảy ra ngay sau khi Rutherford công bố kết quả thí nghiệm tán xạ của mình, trong đó tiết lộ sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử.

Tuy nhiên, mô hình của Thomson là mô hình đầu tiên đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử và kết quả của nó là thành quả của những thử nghiệm tinh vi và nghiêm ngặt. Bằng cách này, ông đã đặt tiền đề cho tất cả những khám phá sau đó.

Đặc điểm và định đề của mô hình Thomson

Thomson đến với mô hình nguyên tử của mình dựa trên một số quan sát. Đầu tiên là tia X mới được Roentgen phát hiện có khả năng ion hóa các phân tử không khí. Cho đến lúc đó, cách duy nhất để ion hóa là tách các ion trong dung dịch về mặt hóa học.

Nhưng nhà vật lý người Anh đã thành công trong việc ion hóa ngay cả các khí đơn thể như heli, bằng cách sử dụng tia X. Điều này khiến ông tin rằng điện tích bên trong nguyên tử có thể bị tách ra, và do đó nó không thể phân chia được. Ông cũng quan sát thấy tia âm cực chúng có thể bị lệch hướng bởi điện trường và từ trường.

JJ Thomson, người phát hiện ra electron. Nguồn: Lifeder.

Vì vậy, Thomson đã nghĩ ra một mô hình giải thích chính xác sự thật rằng nguyên tử là trung hòa về điện và tia âm cực được cấu tạo bởi các hạt mang điện tích âm.

Sử dụng bằng chứng thực nghiệm, Thomson đã mô tả nguyên tử như sau:

-Nguyên tử là một khối cầu đặc trung hòa về điện, có bán kính gần đúng là 10 ^-10 m.

-Điện tích dương phân bố ít nhiều đều khắp quả cầu.

-Nguyên tử chứa các "tiểu thể" tích điện âm, đảm bảo tính trung lập của nó.

-Các tiểu thể này giống nhau đối với mọi vật chất.

-Khi nguyên tử ở trạng thái cân bằng, có n tiểu thể xếp đều đặn thành vòng nằm trong khối cầu mang điện tích dương.

-Khối lượng của nguyên tử phân bố đều.

Tia catốt

Chùm êlectron có hướng từ cực âm sang cực dương.

Thomson đã thực hiện các thí nghiệm của mình bằng cách sử dụng tia âm cực, được phát hiện vào năm 1859. Tia catôt là những bó hạt mang điện tích âm. Để sản xuất chúng, người ta sử dụng các ống thủy tinh chân không, trong đó người ta đặt hai điện cực gọi là cực âm và cực dương.

Sau đó, một dòng điện chạy qua làm nóng cực âm, bằng cách này phát ra bức xạ không nhìn thấy được hướng trực tiếp đến điện cực đối diện.

Để phát hiện bức xạ, không có gì khác ngoài tia âm cực, thành ống phía sau cực dương được phủ bằng vật liệu huỳnh quang. Khi bức xạ đến đó, thành ống phát ra độ sáng mạnh.

Nếu một vật rắn cản đường tia catôt thì nó sẽ đổ bóng lên thành ống. Điều này chỉ ra rằng các tia đi theo đường thẳng và chúng cũng có thể dễ dàng bị chặn lại.

Bản chất của tia âm cực đã được thảo luận rộng rãi, vì bản chất của chúng chưa được biết đến. Một số cho rằng chúng là sóng kiểu điện từ, trong khi những người khác lại cho rằng chúng là các hạt.

Các hạt hạ nguyên tử từ mô hình nguyên tử của Thomson

Như chúng ta đã nói, mô hình nguyên tử của Thomson là mô hình đầu tiên đưa ra định đề về sự tồn tại của các hạt hạ nguyên tử. Các tiểu thể của Thomson không là gì khác ngoài các electron, các hạt mang điện tích âm cơ bản của nguyên tử.

Bây giờ chúng ta biết rằng hai hạt cơ bản khác là proton tích điện dương và neutron không tích điện.

Nhưng những điều này không được phát hiện vào thời điểm Thomson phát triển mô hình của mình. Điện tích dương trong nguyên tử được phân bố trong đó, người ta không coi hạt nào mang điện tích này và hiện tại không có bằng chứng nào về sự tồn tại của nó.

Vì lý do này, mô hình của ông chỉ tồn tại thoáng qua, vì trong một vài năm, các thí nghiệm tán xạ của Rutherford đã mở đường cho việc khám phá ra proton. Và đối với neutron, chính Rutherford đã đề xuất sự tồn tại của nó vài năm trước khi nó cuối cùng được phát hiện.

Ống Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) đã thiết kế chiếc ống mang tên mình vào khoảng năm 1870, với ý định nghiên cứu kỹ bản chất của tia âm cực. Ông thêm điện trường và từ trường, và quan sát thấy rằng các tia bị lệch hướng bởi chúng.

Sơ đồ ống tia âm cực. Nguồn: Knight, R

Bằng cách này, Crookes và các nhà nghiên cứu khác, bao gồm cả Thomson, nhận thấy rằng:

1. Một dòng điện được tạo ra bên trong ống tia âm cực
2. Các tia bị làm lệch hướng bởi sự hiện diện của từ trường, giống như cách các hạt mang điện tích âm.
3. Bất kỳ kim loại nào được sử dụng để làm cực âm đều có khả năng tạo ra tia âm cực tốt như nhau và hoạt động của chúng không phụ thuộc vào vật liệu.

Những quan sát này thúc đẩy cuộc thảo luận về nguồn gốc của tia âm cực. Những người cho rằng chúng là sóng dựa trên thực tế là tia âm cực có thể truyền theo đường thẳng. Ngoài ra, giả thuyết này đã giải thích rất rõ về cái bóng mà một vật rắn xen vào nhau đổ lên thành ống và trong những trường hợp nhất định, người ta biết rằng sóng có thể gây ra huỳnh quang.

Nhưng thay vào đó, người ta không hiểu làm thế nào để từ trường có thể làm lệch các tia âm cực. Điều này chỉ có thể được giải thích nếu những tia này được coi là hạt, một giả thuyết mà Thomson chia sẻ.

Các hạt tích điện trong điện trường và từ trường đều

Một hạt mang điện tích q, tác dụng một lực Fe ở giữa điện trường đều E, có độ lớn:

Fe = qE

Khi một hạt mang điện vuông góc đi qua một điện trường đều, chẳng hạn như điện trường được tạo ra giữa hai bản có điện tích trái dấu, nó sẽ bị lệch và do đó gia tốc:

qE = ma

a = qE / m

Mặt khác, nếu hạt mang điện chuyển động với vận tốc có độ lớn v, ở giữa một từ trường đều có độ lớn B thì lực từ Fm mà nó tác dụng có cường độ như sau:

Fm = qvB

Miễn là vectơ vận tốc và vectơ từ trường vuông góc. Khi một hạt tích điện vuông góc với từ trường đồng nhất, nó cũng chịu sự lệch hướng và chuyển động của nó là tròn đều.

Gia tốc hướng tâm a _c trong trường hợp này là:

qvB = ma _c

Ngược lại, gia tốc hướng tâm liên quan đến tốc độ của hạt v và bán kính R của đường tròn:

a _c = v ² / R

Như vậy:

qvB = mv ² / R

Bán kính của đường tròn có thể được tính như sau:

R = mv / qB

Sau đó, những phương trình này sẽ được sử dụng để tạo lại cách Thomson suy ra mối quan hệ điện tích - khối lượng của electron.

Thí nghiệm của Thomson

Thomson truyền một chùm tia âm cực, một chùm electron, mặc dù ông chưa biết điều đó, qua điện trường đều. Các trường này được tạo ra giữa hai bản dẫn điện tích điện cách nhau một khoảng nhỏ.

Ông cũng truyền tia âm cực qua một từ trường đều, quan sát ảnh hưởng của nó đối với chùm tia. Trong lĩnh vực này cũng như lĩnh vực khác, có sự lệch hướng trong các tia, khiến Thomson nghĩ, một cách chính xác, rằng chùm tia được cấu tạo bởi các hạt mang điện.

Để xác minh điều này, Thomson đã thực hiện một số chiến lược với tia âm cực:

1. Anh ta thay đổi điện trường và từ trường cho đến khi lực hủy bỏ. Bằng cách này, các tia âm cực đi qua mà không bị lệch hướng. Bằng cách cân bằng lực điện và lực từ, Thomson đã có thể xác định tốc độ của các hạt trong chùm tia.
2. Nó triệt tiêu cường độ điện trường, bằng cách này các hạt đi theo một đường tròn ở giữa từ trường.
3. Ông kết hợp các kết quả của bước 1 và bước 2 để xác định mối quan hệ điện tích-khối lượng của "tiểu thể".

Tỉ số điện tích-khối lượng của electron

Thomson xác định rằng tỷ lệ điện tích - khối lượng của các hạt tạo nên chùm tia âm cực có giá trị sau:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg-1.

Trong đó q đại diện cho điện tích của "tiểu thể", thực chất là electron, và m là khối lượng của nó. Thomson đã làm theo quy trình được mô tả trong phần trước, mà chúng tôi tạo lại ở đây từng bước, với các phương trình mà anh ấy đã sử dụng.

Khi tia âm cực đi qua điện trường và từ trường chéo nhau, chúng đi qua mà không bị lệch. Khi điện trường bị hủy, chúng đập vào đầu ống (từ trường được biểu thị bằng các chấm màu xanh giữa các điện cực). Nguồn: Knight, R

Bước 1

Cân bằng lực điện và lực từ, truyền chùm tia qua điện trường và từ trường vuông góc:

qvB = qE

Bước 2

Xác định tốc độ thu được của các hạt chùm tia khi chúng truyền trực tiếp mà không bị lệch hướng:

v = E / B

Bước 3

Hủy bỏ điện trường, chỉ để lại từ trường (lúc này có sự lệch hướng):

R = mv / qB

Với v = E / B, kết quả là:

R = mE / qB ²

Bán kính của quỹ đạo có thể được đo, do đó:

q / m = v / RB

O tốt:

q / m = E / RB ²

Bước tiếp theo

Điều tiếp theo Thomson làm là đo tỷ số q / m bằng cách sử dụng các cực âm làm từ các vật liệu khác nhau. Như đã đề cập trước đây, tất cả các kim loại đều phát ra tia âm cực với các đặc điểm giống nhau.

Sau đó, Thomson so sánh giá trị của chúng với giá trị của tỷ lệ q / m của ion hydro, thu được bằng điện phân và giá trị của nó là xấp xỉ 1 x 10 ⁸ C / kg. Tỉ lệ điện tích-khối lượng của electron xấp xỉ 1750 lần so với ion hydro.

Do đó, tia âm cực có điện tích lớn hơn nhiều, hoặc có lẽ khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của ion hydro. Ion hydro chỉ đơn giản là một proton, sự tồn tại của chúng được biết đến rất lâu sau các thí nghiệm tán xạ của Rutherford.

Ngày nay người ta biết rằng proton có khối lượng gần gấp 1800 lần electron và mang điện tích có độ lớn bằng và ngược dấu với electron.

Một chi tiết quan trọng khác là với các thí nghiệm của Thomson, điện tích của electron không được xác định trực tiếp, cũng như giá trị khối lượng của nó riêng biệt. Các giá trị này được xác định bằng các thí nghiệm Millikan, bắt đầu vào năm 1906.

Sự khác biệt của mô hình Thomson và Dalton

Sự khác biệt cơ bản của hai mô hình này là Dalton nghĩ rằng nguyên tử là một hình cầu. Trái ngược với Thomson, ông không đề xuất sự tồn tại của các điện tích âm hay dương. Đối với Dalton, một nguyên tử trông như thế này:

Nguyên tử Dalton

Như chúng ta đã thấy trước đây, Thomson nghĩ rằng nguyên tử có thể phân chia được, và cấu trúc của nó được hình thành bởi một quả cầu dương và các electron xung quanh nó.

Các sai sót và hạn chế của mô hình

Vào thời điểm đó, mô hình nguyên tử của Thomson đã giải thích rất tốt hành vi hóa học của các chất. Ông cũng giải thích chính xác các hiện tượng xảy ra trong ống tia âm cực.

Nhưng trên thực tế Thomson thậm chí còn không gọi các hạt của mình là "electron", mặc dù thuật ngữ này đã được đặt ra trước đó bởi George Johnstone Stoney. Thomson chỉ đơn giản gọi chúng là "tiểu thể".

Mặc dù Thomson đã sử dụng tất cả kiến ​​thức có sẵn cho mình vào thời điểm đó, nhưng có một số hạn chế quan trọng trong mô hình của ông, điều này đã trở nên rõ ràng từ rất sớm:

- Điện tích dương không phân bố khắp nguyên tử . Các thí nghiệm tán xạ Rutherford cho thấy rằng điện tích dương của nguyên tử nhất thiết phải giới hạn trong một vùng nhỏ của nguyên tử, vùng này sau này được gọi là hạt nhân nguyên tử.

- Các electron có sự phân bố cụ thể bên trong mỗi nguyên tử . Các electron không được phân bố đều, giống như nho khô trong bánh pudding nổi tiếng, mà thay vào đó có sự sắp xếp theo các obitan mà các mô hình sau này đã tiết lộ.

Chính sự sắp xếp của các electron trong nguyên tử cho phép các nguyên tố được sắp xếp theo đặc điểm và tính chất của chúng trong bảng tuần hoàn. Đây là một hạn chế quan trọng của mô hình Thomson, nó không thể giải thích làm thế nào có thể sắp xếp các phần tử theo cách này.

- Hạt nhân nguyên tử là hạt chứa phần lớn khối lượng. Mô hình của Thomson đã giả định rằng khối lượng của nguyên tử được phân bố đồng đều bên trong nó. Nhưng ngày nay chúng ta biết rằng khối lượng của nguyên tử thực tế tập trung ở các proton và neutron của hạt nhân.

Cũng cần lưu ý rằng mô hình này của nguyên tử không cho phép suy ra kiểu chuyển động mà các electron có trong nguyên tử.

Các bài báo quan tâm

Mô hình nguyên tử của Schrödinger.

Mô hình nguyên tử De Broglie.

Mô hình nguyên tử của Chadwick.

Mô hình nguyên tử Heisenberg.

Mô hình nguyên tử của Perrin.

Mô hình nguyên tử của Dalton.

Mô hình nguyên tử Dirac Jordan.

Mô hình nguyên tử của Democritus.

Mô hình nguyên tử của Bohr.

Mô hình nguyên tử Sommerfeld.

Người giới thiệu

1. Andriessen, M. 2001. Khóa học HSC. Vật lý 2. Jacaranda Khoa học HSC.
2. Arfken, G. 1984. Vật lý Đại học. Báo chí Học thuật.
3. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
4. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề.
5. Wikipedia. Mô hình nguyên tử của Thomson. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.