汤姆森的原子模型：特征，假设，亚原子粒子 - 物理 - 2025

汤姆森的原子模型是由著名的英国物理学家汤姆森（JJ Thomson）创建的，他发现了电子。由于这一发现以及他在气体中导电的研究，他被授予1906年诺贝尔物理学奖。

从他对阴极射线的研究中可以清楚地看出，原子不是道尔顿在先前模型中所假定的不可分割的实体，而是包含一个定义明确的内部结构。

汤姆森根据他的阴极射线实验结果建立了原子模型。他在书中指出，电中性原​​子由大小相等的正负电荷组成。

汤姆森的原子模型叫什么，为什么？

根据汤姆森的说法，正电荷分布在整个原子上，而负电荷则嵌入在原子中，就像它们是布丁中的葡萄干一样。通过这种比较，非正式地知道了“葡萄干布丁”一词。

约瑟夫·约翰·汤姆森

尽管汤姆森的想法在今天看起来很原始，但在当时代表着一种新颖的贡献。在该模型的短暂寿命（从1904年到1910年）中，它得到了许多科学家的支持，尽管许多其他人认为它是异端。

最终，在1910年，出现了有关原子结构的新证据，汤姆森的模型迅速陷入了困境。卢瑟福发表散射实验的结果后就发现了这一点，该实验揭示了原子核的存在。

然而，汤姆森模型是第一个假设亚原子粒子存在的模型，其结果是精细而严格的实验的结果。这样，他为随后的所有发现树立了先例。

汤姆森模型的特征和假设

汤姆森根据几项观察得出了他的原子模型。首先是伦琴新发现的X射线能够使空气分子电离。在那之前，电离的唯一方法是化学分离溶液中的离子。

但是这位英国物理学家设法通过X射线成功地使甚至单原子气体（例如氦气）电离，这使他相信原子内部的电荷可以被分离，因此它不可分割，他还观察到阴极射线。它们可能会被电场和磁场偏转。

电子的发现者JJ Thomson。资料来源：利德。

因此，汤姆森（Thomson）设计了一个模型，该模型正确地解释了原子是电中性且阴极射线由带负电的粒子组成的事实。

汤姆森使用实验证据对原子进行了如下表征：

-原子是电中性的固体球体，半径约为10 ^-10 m。

-正电荷或多或少均匀地分布在整个球体中。

-原子包含带负电荷的“小体”，可确保其中性。

这些小体对于所有事物都是相同的。

-当原子处于平衡状态时，有n个小球规则地排列在正电荷球体内的环中。

-原子的质量均匀分布。

阴极射线

电子束从阴极指向阳极。

汤姆森使用1859年发现的阴极射线进行了实验。阴极射线是一束带负电荷的粒子。为了生产它们，使用了真空玻璃管，其中放置了两个电极，称为阴极和阳极。

然后通过电流，加热阴极，以这种方式发射不可见的辐射，该辐射直接指向相对的电极。

为了检测辐射，除了阴极射线外，阳极后面的管壁都覆盖有荧光材料。当辐射到达那里时，管壁发出强烈的光度。

如果固体物体挡住了阴极射线，它将在管壁上投射阴影。这表明光线沿直线传播，并且很容易被阻挡。

阴极射线的性质是未知的，因此被广泛讨论。一些人认为它们是电磁波，而另一些人则认为它们是粒子。

汤姆森原子模型中的亚原子粒子

正如我们所说，汤姆森的原子模型是第一个假设亚原子粒子存在的模型。汤姆森的小球不过是电子，它是原子的基本带负电荷的粒子。

现在我们知道，另外两个基本粒子是带正电的质子和不带电的中子。

但是，在汤姆森开发他的模型时并未发现这些东西。原子中的正电荷分布在其中，它不考虑任何粒子携带该电荷，目前还没有证据表明其存在。

因此，他的模型存在短暂，因为在过去的几年中，卢瑟福的散射实验为质子的发现铺平了道路。至于中子，卢瑟福本人在它最终被发现之前就提出了它的存在。

弯管

威廉·克鲁克斯爵士（Sir William Crookes爵士，1832-1919年）设计了以他的名字命名的灯管，目的是仔细研究阴极射线的性质。他添加了电场和磁场，并观察到光线被它们偏转了。

阴极射线管方案。资料来源：奈特（R）

这样，Crookes和包括Thomson在内的其他研究人员发现：

1. 阴极射线管内部产生电流
2. 射线由于存在磁场而偏转，就像带负电的粒子一样。
3. 用于制造阴极的任何金属在产生阴极射线方面都同样出色，并且其行为与材料无关。

这些发现推动了关于阴极射线起源的讨论。那些坚持认为自己是波浪的人，是基于阴极射线可以沿直线传播这一事实。另外，该假设很好地解释了插入的固体物体投射在管壁上的阴影，并且在某些情况下，已知波会引起荧光。

但是相反，人们不了解磁场如何偏转阴极射线。只有将这些射线视为粒子，才能解释这一点，这是汤姆森所共有的假设。

均匀电场和磁场中的带电粒子

带有电荷q的带电粒子在均匀电场E的中间经历一个力Fe，强度为E：

铁= qE

当带电粒子垂直通过均匀电场时，例如在两个带有相反电荷的极板之间产生的电场，它会发生偏转，并因此产生加速度：

qE = ma

a = qE / m

另一方面，如果带电粒子以大小为v的速度运动，则在大小为B的均匀磁场中间，它所经历的磁力Fm具有以下强度：

Fm = qvB

只要速度和磁场矢量是垂直的。当带电粒子垂直于均匀磁场时，它也会发生偏转并且其运动是均匀的圆形。

在这种情况下，向心加速度a _c为：

qvB = ma _c

反之，向心加速度与粒子v的速度和圆形路径的半径R有关：

a _c = v ² / R

从而：

qvB = mv ² / R

圆形路径的半径可以如下计算：

R = mv / qB

稍后，将使用这些方程式重新创建Thomson推导电子的电荷质量关系的方式。

汤姆森的实验

汤姆森通过均匀的电场穿过了一束阴极射线，一束电子，尽管他还不知道。这些电场是在两个带电的导电板之间隔开一个小距离而产生的。

他还使阴极射线穿过均匀的磁场，观察了这对电子束的影响。在一个场和另一个场中，光线都有偏转，这导致汤姆森正确地认为光束是由带电粒子组成的。

为了验证这一点，Thomson对阴极射线采取了几种策略：

1. 他改变了电场和磁场，直到力消失为止。这样，阴极射线就通过而不会发生偏转。通过使电磁力相等，汤姆森能够确定光束中粒子的速度。
2. 他消除了电场强度，通过这种方式，粒子在磁场中间沿着圆形路径运动。
3. 他结合了步骤1和2的结果，确定了“小体”的荷质关系。

电子的电荷质量比

汤姆森确定构成阴极射线束的粒子的荷质比具有以下值：

q / m ＝ 1.775820×10 11 C.kg-1。

其中，q表示“小体”的电荷，实际上是电子，m是其质量。Thomson遵循了上一节中描述的过程，我们在此逐步使用他使用的方程式重新创建了该过程。

阴极射线穿过交叉的电场和磁场时，它们不会偏转而通过。消除电场后，它们撞击到试管的上部（磁场由电极之间的蓝点表示）。资料来源：奈特（R）

第1步

平衡电场力和磁力，使光束穿过垂直的电场和磁场：

qvB = qE

第2步

确定当粒子直接通过而没有偏转时，粒子中获得的速度：

v = E / B

第三步

消除电场，仅留下磁场（现在存在偏转）：

R = mv / qB

v = E / B时，结果为：

R = mE / qB ²

可以测量轨道半径，因此：

q / m = v / RB

好吧：

q / m = E / RB ²

下一步

汤姆森接下来要做的是使用由不同材料制成的阴极测量q / m比。如前所述，所有金属均发出具有相同特性的阴极射线。

然后，汤姆森将其值与通过电解获得的氢离子比q / m的值进行比较，该值约为1 x 10 ⁸ C / kg。电子的电荷质量比约为氢离子的1750倍。

因此，阴极射线具有比氢离子大得多的电荷，或者质量可能比氢离子小得多。氢离子仅仅是质子，在卢瑟福的散射实验之后很久就知道了氢离子的存在。

如今，人们已经知道，质子的质量几乎是电子的1800倍，并且其电荷的大小与电子相同，且符号相反。

另一个重要的细节是，在汤姆森实验中，电子的电荷不是直接确定的，也不是电子质量的值。这些值由1906年开始的密立根实验确定。

汤姆森和道尔顿模型的差异

这两种模型的根本区别在于，道尔顿认为原子是一个球体。与汤姆森相反，他没有提出存在正电荷或负电荷。对于道尔顿来说，一个原子看起来像这样：

道尔顿原子

正如我们之前所见，汤姆森认为原子是可分的，其结构由正球体和周围的电子组成。

模型缺陷和局限性

当时，汤姆森的原子模型设法很好地解释了物质的化学行为。他还准确地解释了在阴极射线管中发生的现象。

但是实际上，汤姆森甚至没有称他的粒子为“电子”，尽管该术语早已由乔治·约翰斯通·斯通尼创造。汤姆森简单地称他们为“小体”。

尽管Thomson当时利用了所有可用的知识，但是他的模型有几个重要的局限性，这些局限性在很早就变得显而易见：

- 正电荷没有分布在整个原子上。卢瑟福散射实验表明，原子的正电荷必须限制在原子的一个较小区域内，该区域后来被称为原子核。

- 电子在每个原子内都有特定的分布。电子没有像著名布丁中的葡萄干那样均匀分布，而是在轨道上有排列，后来的模型揭示了这种排列。

正是原子内电子的排列允许元素通过其在周期表中的特性和性质进行组织。这是Thomson模型的重要局限性，无法解释如何以这种方式订购元素。

- 原子核是包含大部分质量的原子核。汤姆森模型假定原子的质量均匀地分布在其中。但是今天我们知道，原子的质量实际上集中在原子核的质子和中子中。

同样重要的是要注意，原子的这种模型不允许推断电子在原子内的运动类型。

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参考文献

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5. 维基百科。汤姆森的原子模型。摘自：es.wikipedia.org。