Pflaumenpudding-Modell - Plum pudding model
Das Plumpudding-Modell ist eines von mehreren historischen wissenschaftlichen Modellen des Atoms . Zuerst von JJ Thomson im Jahr 1904 kurz nach der Entdeckung des Elektrons vorgeschlagen , aber vor der Entdeckung des Atomkerns , versuchte das Modell zwei damals bekannte Eigenschaften von Atomen zu erklären: dass Elektronen negativ geladene Teilchen sind und dass Atome keine elektrische Nettoladung haben . Das Plumpudding-Modell hat Elektronen, die von einem Volumen positiver Ladung umgeben sind, wie negativ geladene "Pflaumen", die in einen positiv geladenen " Pudding " eingebettet sind .
Überblick
Es war seit vielen Jahren bekannt, dass Atome negativ geladene subatomare Teilchen enthalten . Thomson nannte sie "Korpuskel" ( Teilchen ), häufiger aber "Elektronen", den Namen, den GJ Stoney 1891 für die " Grundeinheitsquantität der Elektrizität " geprägt hatte. Auch war seit vielen Jahren bekannt, dass Atome keine elektrische Nettoladung. Thomson meinte, dass Atome auch eine positive Ladung enthalten müssen, die die negative Ladung ihrer Elektronen aufhebt . Thomson veröffentlichte seinen Modellvorschlag in der Märzausgabe 1904 des Philosophical Magazine , der damals führenden britischen Wissenschaftszeitschrift. Aus Thomsons Sicht:
... die Atome der Elemente bestehen aus einer Reihe von negativ elektrisierten Korpuskeln, die in einer Kugel gleichförmiger positiver Elektrifizierung eingeschlossen sind, ...
Mit diesem Modell gab Thomson seine Hypothese des "Nebelatoms" von 1890 auf, die auf der Wirbeltheorie des Atoms basierte , in der Atome aus immateriellen Wirbeln zusammengesetzt waren, und schlug vor, dass Ähnlichkeiten zwischen der Anordnung der Wirbel und der periodischen Regelmäßigkeit unter den chemische Elemente. Als scharfsinniger und praktischer Wissenschaftler stützte Thomson sein Atommodell auf bekannte experimentelle Beweise seiner Zeit. Sein Vorschlag einer positiven Volumenladung spiegelt die Natur seines wissenschaftlichen Ansatzes zur Entdeckung wider, der darin bestand, Ideen für zukünftige Experimente vorzuschlagen.
In diesem Modell waren die Bahnen der Elektronen stabil, weil ein Elektron, wenn es sich vom Zentrum der positiv geladenen Kugel wegbewegte, einer größeren positiven Nettokraft nach innen ausgesetzt war, weil es mehr positive Ladung in seiner Bahn gab (siehe Gaußsches Gesetz ). Elektronen konnten sich frei in Ringen drehen, die durch Wechselwirkungen zwischen den Elektronen weiter stabilisiert wurden, und spektroskopische Messungen sollten Energieunterschiede in Verbindung mit verschiedenen Elektronenringen berücksichtigen. Thomson versuchte erfolglos, sein Modell umzuformen, um einige der wichtigsten Spektrallinien zu berücksichtigen, die experimentell für mehrere Elemente bekannt waren.
Das Plumpudding-Modell führte seinen Schüler Ernest Rutherford nützlicherweise dazu, Experimente zu entwickeln, um die Zusammensetzung von Atomen weiter zu untersuchen. Auch Thomson - Modell (zusammen mit einem ähnlichen Saturnian Ringmodell für Atomelektronen vorbringen 1904 von Nagaoka nach James Clerk Maxwell ‚s Modell der Saturnringe ) waren nützlich Vorgänger des richtigere solarsystem wie Bohr - Modells des Atoms.
Das umgangs Spitzname „Plumpudding“ wurde bald als die Verteilung der Elektronen innerhalb seiner positiv geladenen Region des Weltraums zu Thomsons Modell zugeschrieben erinnerte viele Wissenschaftler von Rosinen , dann genannt „Pflaumen“, im allgemeinen englischen Dessert, Plumpudding .
Im Jahr 1909 Hans Geiger und Ernest Marsden führten Experimente mit dünnen Platten aus Gold . Ihr Professor, Ernest Rutherford, erwartete, Ergebnisse zu finden, die mit Thomsons Atommodell übereinstimmen. Erst 1911 interpretierte Rutherford die Ergebnisse des Experiments richtig, die das Vorhandensein eines sehr kleinen Kerns mit positiver Ladung im Zentrum jedes Goldatoms implizierten. Dies führte zur Entwicklung des Rutherford-Modells des Atoms. Unmittelbar nachdem Rutherford seine Ergebnisse veröffentlicht hatte, machte Antonius Van den Broek den intuitiven Vorschlag, dass die Ordnungszahl eines Atoms die Gesamtzahl der in seinem Kern vorhandenen Ladungseinheiten ist. Henry Moseleys Experimente von 1913 (siehe Moseleys Gesetz ) lieferten die notwendigen Beweise, um Van den Broeks Vorschlag zu unterstützen. Es wurde festgestellt, dass die effektive Kernladung mit der Ordnungszahl übereinstimmt (Moseley fand nur eine Ladungsdifferenz). Diese Arbeit gipfelte im sonnensystemähnlichen (aber quantenbegrenzten) Bohrschen Modell des Atoms im selben Jahr, bei dem ein Kern mit einer Ordnungszahl positiver Ladungen von einer gleichen Anzahl von Elektronen in Orbitalschalen umgeben ist. So wie Thomsons Modell Rutherfords Experimente leitete, leitete Bohrs Modell Moseleys Forschung.
Verwandte wissenschaftliche Probleme
Das Plumpudding-Modell mit einem einzelnen Elektron wurde 1910 teilweise vom Physiker Arthur Erich Haas verwendet , um den Zahlenwert der Planck-Konstanten und des Bohrschen Radius von Wasserstoffatomen abzuschätzen . Haas' Arbeit schätzte diese Werte auf eine Größenordnung und ging der Arbeit von Niels Bohr um drei Jahre voraus . Bemerkenswert ist, dass das Bohr-Modell selbst nur für atomare und ionische Systeme mit nur einem effektiven Elektron vernünftige Vorhersagen liefert .
Ein besonders nützliches mathematisches Problem im Zusammenhang mit dem Plumpudding-Modell ist die optimale Verteilung gleicher Punktladungen auf einer Einheitskugel, das sogenannte Thomson-Problem . Das Thomson-Problem ist eine natürliche Folge des Plumpudding-Modells in Abwesenheit seiner einheitlichen positiven Hintergrundladung.
Die klassische elektrostatische Behandlung von Elektronen, die auf sphärische Quantenpunkte beschränkt sind, ähnelt ebenfalls ihrer Behandlung im Plumpudding-Modell. Bei diesem klassischen Problem wird der Quantenpunkt als einfache dielektrische Kugel modelliert (anstelle einer einheitlichen, positiv geladenen Kugel wie im Plumpudding-Modell), in der sich freie oder überschüssige Elektronen befinden. Es wurde gefunden, dass die elektrostatischen N-Elektronenkonfigurationen den Lösungen des Thomson-Problems mit Elektronen, die sich auf demselben Radius innerhalb der dielektrischen Kugel befinden, außergewöhnlich nahe kommen. Bemerkenswerterweise hat die aufgetragene Verteilung der geometrieabhängigen Energetik eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit der Verteilung der erwarteten Elektronenorbitale in natürlichen Atomen, wie sie im Periodensystem der Elemente angeordnet sind. Von großem Interesse zeigen Lösungen des Thomson-Problems diese entsprechende Energieverteilung, indem sie die Energie jeder N-Elektronen-Lösung mit der Energie ihrer benachbarten (N-1)-Elektronen-Lösung mit einer Ladung am Ursprung vergleichen. Bei der Behandlung innerhalb eines dielektrischen Kugelmodells sind die Merkmale der Verteilung jedoch viel ausgeprägter und liefern eine größere Genauigkeit in Bezug auf Elektronenorbitalanordnungen in realen Atomen.