Thomsonov model (model slivkového pudingu): definícia a história

Thomsonov model (model slivkového pudingu): stručná definícia a pútavá história objavu elektrónu, jeho nedostatkov a prechodu k modernej jadrovej teórii atómu.

Model slivkového pudingu bol skorým (a nesprávnym) modelom atómu z 20. storočia. Navrhol ho J. J. Thomson v roku 1904, po objavení elektrónu, ale pred objavením atómového jadra. V tom čase vedci vedeli, že v atóme je kladný náboj, ktorý vyvažuje záporné náboje elektrónov, takže atóm je neutrálny, ale nevedeli, odkiaľ sa kladný náboj berie. Thomsonov model zobrazoval atóm, ktorý mal kladne nabité prostredie alebo priestor so záporne nabitými elektrónmi vo vnútri prostredia. Krátko po jeho návrhu sa tento model nazval modelom "slivkového pudingu", pretože kladné prostredie bolo ako puding s elektrónmi alebo slivkami vo vnútri.

Charakteristika modelu

Thomsonov model popisoval atóm ako súvislé kladne nabité telo (rozloženie kladného náboja približne rovnomerné) s jednotlivými elektrónmi rozmiestnenými vnútri tak, ako sú kúsky ovocia v pudingu. Elektróny mali byť v stabilnej rovnováhe v dôsledku príťažlivých síl kladného prostredia a odpudivých síl medzi sebou. Thomson sa zaoberal aj usporiadaním elektrónov (napríklad kruhové vrstvy alebo krúžky) a skúšal odhadnúť podmienky stability a prirodzené frekvencie ich kmitania.

Prečo bol model navrhnutý

• Objav elektrónu (koncom 19. storočia) ukázal, že atómy obsahujú záporné častice, ale zdroj kladného náboja bol neznámy.
• Model poskytoval jednoduché, intuitívne vysvetlenie elektrickej neutrality atómu bez potreby malého, hustého jadra.
• Bol to prvý krok k začleneniu novoodhalených častíc do koncepcie atómu a snažil sa vysvetliť aj niektoré spektrálne či dynamické vlastnosti atómov.

Limity a experimentálne vyvrátenie

Model mal viacero zásadných problémov:

• Nepresne vysvetľoval rozptýlenie vysokoenergetických častíc pri experimentoch so žiarením.
• Nevedel uspokojivo vysvetliť ostré spektrálne čiary atómov ani ich stabilitu podľa klasickej elektrodynamiky.
• Nezhodoval sa s výsledkami pozorovaní pri rozptyle alfa častíc vykonaných geigrom, marsdenom a analyzovaných Rutherfordom (slávne Geiger–Marsdenove experimenty okolo roku 1909).

Na základe týchto experimentov Ernest Rutherford v roku 1911 navrhol model, kde je kladný náboj sústredený v malom, hustom jadre, zatiaľ čo elektróny obiehajú okolo jadra — to radikálne zmenilo predstavu o vnútri atómu a nahradilo model slivkového pudingu.

Historický význam a dedičstvo

Aj keď bol Thomsonov model nesprávny, zohral dôležitú historickú úlohu:

• Bol prvým systematickým pokusom zaradiť elektrón do modelu atómu po jeho objave.
• Podnietil presné experimenty (napr. rozptyl častíc), ktoré viedli k objavu jadra a rozvoju modernej jadrovej fyziky.
• Ilustruje, ako sa vedecké teórie postupne korigujú na základe nových dôkazov — aj chybné modely majú hodnotu tým, že kladú základy ďalším objavom.

Ďalšie kroky po Thomsonovi

Po Rutherfordovom modeli nasledoval Bohr (1913), ktorý kombinoval klasické pojmy s kvantovými postulátmi a úspešne vysvetlil spektrálne čiary vodíka. Neskôr sa vyvinula kvantová mechanika, ktorá poskytla úplnejší a presnejší opis atómov a väzieb medzi časticami.

Stručne: model slivkového pudingu je významný ako historický medzník — jednoduché a intuitívne vysvetlenie, ktoré však výsledky experimentov vyvrátili a ktoré viedlo k hlbšiemu pochopeniu štruktúry atómu.

Vývoj do moderného atómového modelu

Rutherfordov model

V podstate v roku 1909, krátko po navrhnutí Thomsonovho modelu, Hans Geiger a Ernest Marsden uskutočnili experiment s tenkými plátkami zlata, aby otestovali Thomsonov model. Ich profesor Ernest Rutherford očakával, že výsledky potvrdia Thomsonovu pravdu, ale ich výsledky boli úplne odlišné od očakávaní. V roku 1911 Rutherford zistil, že kladné náboje pochádzajú z malých častíc nazývaných protóny a že protóny sa nachádzajú v malom centre nazývanom jadro a že elektróny obiehajú okolo jadra.

Bohrov model

Rutherfordov model bol pomerne jednoduchý, ale nesprávny, pretože elektróny majú náboj a mali by byť priťahované ku kladne nabitému jadru. V roku 1913 Niels Bohr doplnil atómový model o "energetické hladiny". Elektróny nepadajú do jadra, pretože sú obsiahnuté v energetických hladinách a na zmenu na vyššie energetické hladiny je potrebná dodatočná energia a na zmenu na nižšie energetické hladiny je potrebné uvoľnenie energie. Nie je možné meniť energetické stavy bez zmeny energie elektrónu. Ak elektrón zasiahne fotón (častica, ktorá je nositeľom elektromagnetického žiarenia), získa dodatočnú energiu a prejde do vyššej energetickej hladiny (zmení stav), potom preskočí späť do nižšej energetickej hladiny a uvoľní obsiahnutú energiu. Tento nový model sa nazýval Bohrov model alebo Rutherfordov-Bohrov model. Tým sa rozšíril celý nový vedný odbor: Kvantová fyzika.

Kvantový model

V roku 1926 Erwin Schrödinger použil myšlienku, že elektróny sa správajú ako vlny aj častice, čo je známe ako vlnovo-časticový dualizmus. To pridalo úplne novú vrstvu do atómového modelu a kvantovej fyziky. Pri častici môžete zistiť, kde sa v priestore nachádza, ak ju pozorujete (pozeráte sa na ňu). Ale pri vlne je všade naokolo, takže nemôžete určiť, kde presne sa nachádza. Toto je známe ako kvantová neurčitosť. Pri elektróne môžete poznať len pravdepodobnosť, že sa nachádza na určitom mieste, pretože je to vlna aj častica. (Pozri schému vyššie)

Obrázok znázorňujúci zmenu energetickej hladiny elektrónu a získavanie a uvoľňovanie energie vo forme fotónov.


Zobrazí sa aktuálny atómový model. Čierne tieňovanie okolo atómu znázorňuje pravdepodobnosť, že sa v ňom nachádza elektrón. Čím je tmavšie, tým je väčšia šanca, že na danom mieste nájdete elektrón.

Hľadajte podľa písmena