Il Il modello atomico di Thomson È stato creato dal celebre fisico inglese J. J. Thomson, che ha scoperto l'elettrone. Per questa scoperta e il suo lavoro sulla conduzione elettrica nei gas, è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1906.
Dal suo lavoro con i raggi catodici, divenne chiaro che l'atomo non era un'entità indivisibile, come Dalton aveva postulato nel modello precedente, ma che conteneva una struttura interna ben definita..
Thomson ha realizzato un modello dell'atomo basato sui risultati dei suoi esperimenti con i raggi catodici. In esso affermava che l'atomo elettricamente neutro era costituito da cariche positive e negative di uguale grandezza..
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Secondo Thomson, la carica positiva era distribuita in tutto l'atomo e le cariche negative erano incorporate in esso come l'uva passa in un budino. Da questo confronto è derivato il termine "budino all'uvetta", come il modello era conosciuto in modo informale..
Sebbene l'idea di Thomson oggi sembri piuttosto primitiva, per il suo tempo ha rappresentato un contributo inedito. Durante la breve vita del modello (dal 1904 al 1910) ebbe l'appoggio di molti scienziati, sebbene molti altri lo considerassero eresia.
Alla fine, nel 1910, emersero nuove prove sulla struttura atomica e il modello di Thomson cadde rapidamente da parte. Ciò è accaduto non appena Rutherford ha pubblicato i risultati dei suoi esperimenti di scattering, che hanno rivelato l'esistenza del nucleo atomico..
Tuttavia, il modello di Thomson è stato il primo a postulare l'esistenza di particelle subatomiche ei suoi risultati sono stati il frutto di una sperimentazione fine e rigorosa. In questo modo ha stabilito il precedente per tutte le scoperte che seguirono..
Thomson è arrivato al suo modello atomico sulla base di diverse osservazioni. Il primo era che i raggi X recentemente scoperti da Roentgen erano in grado di ionizzare le molecole d'aria. Fino ad allora, l'unico modo per ionizzare era separare chimicamente gli ioni in una soluzione..
Ma il fisico inglese riuscì a ionizzare con successo anche gas monoatomici come l'elio, utilizzando i raggi X. Questo lo portò a credere che la carica all'interno dell'atomo potesse essere separata, e che quindi non fosse indivisibile. Osservò anche che i raggi catodici potevano essere deviato da campi elettrici e magnetici.
Così Thomson ha ideato un modello che spiegava correttamente il fatto che l'atomo è elettricamente neutro e che i raggi catodici sono composti da particelle caricate negativamente..
Utilizzando prove sperimentali, Thomson ha caratterizzato l'atomo come segue:
-L'atomo è una sfera solida elettricamente neutra, con un raggio di circa 10-10 m.
-La carica positiva è distribuita più o meno uniformemente sulla sfera.
-L'atomo contiene "corpuscoli" caricati negativamente, che ne garantiscono la neutralità..
-Questi corpuscoli sono gli stessi per tutta la materia.
-Quando l'atomo è in equilibrio, c'è n corpuscoli disposti regolarmente in anelli entro la sfera di carica positiva.
-La massa dell'atomo è distribuita uniformemente.
Thomson ha condotto i suoi esperimenti utilizzando i raggi catodici, scoperti nel 1859. I raggi catodici sono fasci di particelle caricate negativamente. Per produrli, vengono utilizzati tubi di vetro a vuoto, in cui sono posizionati due elettrodi, chiamati catodo Y anodo.
Viene quindi fatta passare una corrente elettrica che riscalda il catodo, che in questo modo emette radiazioni invisibili che vengono dirette direttamente all'elettrodo opposto..
Per rilevare la radiazione, che altro non è che raggi catodici, la parete del tubo dietro l'anodo viene ricoperta con un materiale fluorescente. Quando la radiazione arriva lì, la parete del tubo emette un'intensa luminosità.
Se un oggetto solido ostacola i raggi catodici, proietta un'ombra sulla parete del tubo. Ciò indica che i raggi viaggiano in linea retta e anche che possono essere facilmente bloccati..
La natura dei raggi catodici è stata ampiamente discussa, poiché la loro natura era sconosciuta. Alcuni pensavano che fossero onde di tipo elettromagnetico, mentre altri sostenevano che fossero particelle..
Il modello atomico di Thomson è, come abbiamo detto, il primo a postulare l'esistenza di particelle subatomiche. I corpuscoli di Thomson non sono altro che elettroni, le particelle fondamentali caricate negativamente dell'atomo..
Attualmente sappiamo che le altre due particelle fondamentali sono il protone caricato positivamente e il neutrone non caricato..
Ma questi non furono scoperti nel momento in cui Thomson sviluppò il suo modello. La carica positiva nell'atomo era distribuita in esso, non considerava nessuna particella portatrice di detta carica e al momento non c'erano prove della sua esistenza.
Per questo motivo il suo modello ebbe un'esistenza fugace, poiché nel corso di pochi anni gli esperimenti di scattering di Rutherford aprirono la strada alla scoperta del protone. E per quanto riguarda il neutrone, lo stesso Rutherford ne propose l'esistenza alcuni anni prima che fosse finalmente scoperto..
Sir William Crookes (1832-1919) progettò il tubo che porta il suo nome intorno al 1870, con l'intento di studiare attentamente la natura dei raggi catodici. Aggiunse campi elettrici e magnetici e osservò che i raggi venivano deviati da questi.
Pertanto, Crookes e altri ricercatori, incluso Thomson, hanno scoperto che:
Queste osservazioni hanno alimentato la discussione sull'origine dei raggi catodici. Coloro che sostenevano che fossero onde, si basavano sul fatto che i raggi catodici potevano viaggiare in linea retta. Inoltre questa ipotesi spiegava molto bene l'ombra che un oggetto solido interposto proiettava sulla parete del tubo e in determinate circostanze si sapeva che le onde potevano provocare fluorescenza.
Ma d'altra parte, non si capiva come fosse possibile per i campi magnetici deviare i raggi catodici. Ciò potrebbe essere spiegato solo se detti raggi fossero considerati particelle, un'ipotesi condivisa da Thomson..
Una particella carica con carica q, sperimenta una forza Fe nel mezzo di un campo elettrico uniforme E, di magnitudine:
Fe = qE
Quando una particella carica attraversa perpendicolarmente un campo elettrico uniforme, come quello prodotto tra due piastre con cariche opposte, subisce una deflessione e di conseguenza un'accelerazione:
qE = ma
a = qE / m
D'altra parte, se la particella carica si muove con una velocità di magnitudine v, nel mezzo di un campo magnetico uniforme di magnitudine B, la forza magnetica Fm che sperimenta ha la seguente intensità:
Fm = qvB
Finché i vettori di velocità e campo magnetico sono perpendicolari. Quando una particella carica colpisce perpendicolarmente un campo magnetico omogeneo, subisce anche una deflessione e il suo movimento è circolare uniforme.
L'accelerazione centripeta ac in questo caso è:
qvB = mac
A sua volta, l'accelerazione centripeta è correlata alla velocità della particella ve al raggio R del percorso circolare:
perc = vDue/ R
Perciò:
qvB = mvDue/ R
Il raggio del percorso circolare può essere calcolato come segue:
R = mv / qB
Queste equazioni verranno utilizzate in seguito per ricreare il modo in cui Thomson ha derivato la relazione carica-massa dell'elettrone..
Thomson fece passare un fascio di raggi catodici, un fascio di elettroni, sebbene ancora non lo sapesse, attraverso campi elettrici uniformi. Questi campi vengono creati tra due piastre conduttive cariche separate da una piccola distanza.
Ha anche fatto passare i raggi catodici attraverso un campo magnetico uniforme, osservando l'effetto che questo aveva sul raggio. In un campo come nell'altro si verificava una deflessione dei raggi, che portò Thomson a pensare, correttamente, che il fascio fosse composto da particelle cariche.
Per verificarlo, Thomson ha eseguito diverse strategie con i raggi catodici:
Thomson ha stabilito che il rapporto massa-carica delle particelle che compongono il fascio di raggi catodici ha il seguente valore:
q / m = 1,758820 x 10 11 C. kg-1.
Dove q rappresenta la carica del "corpuscolo", che in realtà è l'elettrone e m è la massa di esso. Thomson ha seguito la procedura descritta nella sezione precedente, che ricostruiamo qui passo dopo passo, con le equazioni che ha usato.
Equalizza la forza elettrica e la forza magnetica, facendo passare il raggio attraverso i campi elettrici e magnetici perpendicolari:
qvB = qE
Determina la velocità acquisita dalle particelle nel raggio quando passano direttamente senza deviazione:
v = E / B
Annulla il campo elettrico, lasciando solo il campo magnetico (ora c'è la deflessione):
R = mv / qB
Con v = E / B risulta:
R = mE / qBDue
Il raggio dell'orbita può essere misurato, quindi:
q / m = v / RB
O bene:
q / m = E / RBDue
La cosa successiva che Thomson fece fu misurare il rapporto q / m utilizzando catodi realizzati con materiali diversi. Come affermato in precedenza, tutti i metalli emettono raggi catodici con caratteristiche identiche..
Quindi Thomson ha confrontato i suoi valori con quelli del rapporto q / m dello ione idrogeno, ottenuto per elettrolisi e il cui valore è di circa 1 x 108 C / kg. Il rapporto massa-carica dell'elettrone è circa 1750 volte quello dello ione idrogeno.
Quindi i raggi catodici avevano una carica molto maggiore, o forse una massa molto inferiore a quella dello ione idrogeno. Lo ione idrogeno è semplicemente un protone, la cui esistenza divenne nota molto tempo dopo gli esperimenti di diffusione di Rutherford..
Oggi è noto che il protone è quasi 1800 volte più massiccio dell'elettrone e con una carica della stessa grandezza e di segno opposto a quella dell'elettrone..
Un altro dettaglio importante è che gli esperimenti di Thomson non hanno determinato direttamente la carica elettrica dell'elettrone, né il valore della sua massa separatamente. Questi valori sono stati determinati dagli esperimenti di Millikan, iniziati nel 1906..
La differenza fondamentale di questi due modelli è che Dalton pensava che l'atomo fosse una sfera. A differenza di Thomson, non ha proposto l'esistenza di accuse positive o negative. Per Dalton un atomo aveva questo aspetto:
Come abbiamo visto in precedenza, Thomson pensava che l'atomo fosse divisibile e la cui struttura è formata da una sfera positiva ed elettroni attorno.
A quel tempo, il modello atomico di Thomson riuscì a spiegare molto bene il comportamento chimico delle sostanze. Ha anche spiegato correttamente i fenomeni che si sono verificati nel tubo a raggi catodici.
Ma in realtà Thomson non chiamò nemmeno le sue particelle "elettroni", sebbene il termine fosse già stato coniato in precedenza da George Johnstone Stoney. Thomson li chiamava semplicemente "corpuscoli"..
Sebbene Thomson abbia fatto uso di tutte le conoscenze a sua disposizione in quel momento, ci sono diversi importanti limiti nel suo modello, che sono diventati evidenti molto presto:
-La carica positiva non è distribuita in tutto l'atomo. Gli esperimenti di diffusione di Rutherford hanno dimostrato che la carica positiva dell'atomo è necessariamente limitata a una piccola regione dell'atomo, che in seguito divenne nota come nucleo atomico..
-Gli elettroni hanno una distribuzione specifica all'interno di ogni atomo. Gli elettroni non sono distribuiti uniformemente, come l'uvetta nel famoso budino, ma hanno una disposizione in orbitali che i modelli successivi hanno rivelato.
È proprio la disposizione degli elettroni all'interno dell'atomo che consente di organizzare gli elementi in base alle loro caratteristiche e proprietà nella tavola periodica. Questa era una limitazione importante del modello Thomson, che non poteva spiegare come fosse possibile ordinare gli elementi in questo modo..
-Il nucleo atomico è quello che contiene la maggior parte della massa. Il modello di Thomson postulava che la massa dell'atomo fosse distribuita uniformemente al suo interno. Ma oggi sappiamo che la massa dell'atomo è praticamente concentrata nei protoni e nei neutroni del nucleo..
È anche importante notare che questo modello dell'atomo non permetteva di inferire il tipo di movimento che gli elettroni avevano all'interno dell'atomo..
Modello atomico di Schrödinger.
Modello Atomic de Broglie.
Modello atomico di Chadwick.
Modello atomico di Heisenberg.
Il modello atomico di Perrin.
Modello atomico di Dalton.
Modello atomico di Dirac Jordan.
Modello atomico di Democrito.
Modello atomico di Leucippo.
Modello atomico di Bohr.
Modello atomico di Sommerfeld.
Modello atomico attuale.
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