MODEL ATÒMIC DE THOMSON: CARACTERÍSTIQUES, POSTULATS, PARTÍCULES SUBATÒMIQUES - FÍSICA - 2025

El model atòmic de Thomson va ser creat pel celebrat físic anglès JJ Thomson, qui va descobrir l'electró. Per aquest descobriment i els seus treballs sobre la conducció elèctrica en els gasos, va ser guardonat el 1906 amb el Premi Nobel de Física.

A partir dels seus treballs amb els raigs catòdics, es va posar de manifest que l'àtom no era una entitat indivisible, com havia postulat Dalton en el model precedent, sinó que contenia una estructura interna ben definida.

Thomson va elaborar un model de l'àtom partint dels resultats dels seus experiments amb raigs catòdics. En ell va afirmar que l'àtom, elèctricament neutre, estava format de càrregues positives i negatives de la mateixa magnitud.

Com es va cridar el model atòmic de Thomson i per què?

Segons Thomson, la càrrega positiva es repartia per tot l'àtom i les càrregues negatives estaven incrustades en ell com si fossin les passes d'un púding. D'aquesta comparació va sorgir el terme "púding de panses", com es va conèixer informalment a el model.

Joseph John Thomson

Si bé en l'actualitat la idea de Thomson llueix bastant primitiva, per al seu moment va representar una aportació nou. Durant la breu vigència de el model (de 1904 a 1910), va comptar amb el suport de molts científics, encara que altres tants ho van considerar heretgia.

Finalment en 1910 va sorgir nova evidència sobre l'estructura atòmica i el model de Thomson ràpidament va quedar a un costat. Això va ocórrer tan aviat com Rutherford va publicar els resultats dels seus experiments de dispersió, que van posar de manifest l'existència d'el nucli atòmic.

No obstant això, el model de Thomson va ser el primer a postular l'existència de partícules subatòmiques i els seus resultats van ser el fruit d'una fina i rigorosa experimentació. D'aquesta manera va establir el precedent per a tots els descobriments que van seguir.

Característiques i postulats de el model de Thomson

Thomson va arribar al seu model atòmic partint de diverses observacions. La primera va ser que els raigs X recentment descoberts per Roentgen eren capaços de ionitzar les molècules d'aire. Fins llavors, l'única forma d'ionitzar era separant químicament ions en una solució.

Però el físic anglès va aconseguir ionitzar amb èxit fins i tot gasos monoatòmics com l'heli, mitjançant els raigs X. Això el va conduir a creure que la càrrega dins de l'àtom podia ser separades, i que per tant no era indivisible.También va observar que els raigs catòdics podien ser desviats pels camps elèctrics i magnètics.

JJ Thomson, descobridor de l'electró. Font: Lifeder.

Llavors Thomson va idear un model que explicava correctament el fet que l'àtom és elèctricament neutre i que els raigs catòdics estan compostos de partícules amb càrrega negativa.

Servint-se de l'evidència experimental, Thomson va caracteritzar a l'àtom de la següent manera:

-El àtom és una esfera massissa elèctricament neutra, amb un radi aproximat de 10 ^-10 m.

-La càrrega positiva està repartida de manera més o menys uniforme per l'esfera.

-El àtom conté "corpuscles" carregats negativament, que asseguren la seva neutralitat.

-Dichos corpuscles són els mateixos per a tota la matèria.

-Quan l'àtom està en equilibri, hi ha n corpuscles disposats regularment en anells dins de l'esfera de càrrega positiva.

-La massa de l'àtom està repartida uniformement.

Els raigs catòdics

Feix d'electrons es dirigeixen des del càtode fins l'ànode.

Thomson va dur a terme els seus experiments utilitzant els raigs catòdics, descoberts el 1859. Els raigs catòdics són feixos de partícules carregades negativament. Per produir-los s'empren tubs de vidre a el buit, en els quals es col·loquen dos elèctrodes, anomenats càtode i ànode.

Seguidament es fa passar un corrent elèctric que escalfa a l'càtode, que d'aquesta manera emet una radiació invisible que es dirigeix ​​directament a l'elèctrode oposat.

Per detectar la radiació, que no és altra cosa que els raigs catòdics, es cobreix la paret de l'tub darrere de l'ànode amb un material fluorescent. Quan la radiació arriba fins allà, la paret de l'tub desprèn una intensa lluminositat.

Si s'interposa un objecte sòlid en el camí dels raigs catòdics, aquest llança una ombra sobre la paret de l'tub. Això indica que els raigs viatgen en línia recta, i també que se'ls pot bloquejar fàcilment.

La naturalesa dels raigs catòdics va ser àmpliament discutida, ja que la seva naturalesa era una incògnita. Alguns pensaven que eren ones de tipus electromagnètic, mentre que altres sostenien que eren partícules.

Partícules subatòmiques de l' model atòmic de Thomson

El model atòmic de Thomson és, com hem dit, el primer a postular l'existència de partícules subatòmiques. Els corpuscles de Thomson no són altra cosa que els electrons, les partícules fonamentals de l'àtom carregades negativament.

Actualment sabem que les altres dues partícules fonamentals són el protó, carregat positivament, i el neutró sense càrrega.

Però aquestes no van ser descobertes en el moment en què Thomson va elaborar el seu model. La càrrega positiva en l'àtom es repartia ell, no considerava cap partícula portadora d'aquesta càrrega i de moment no hi havia cap evidència de la seva existència.

Per aquest motiu el seu model va tenir una existència fugaç, ja que en el transcurs de pocs anys, els experiments de dispersió de Rutherford van obrir el camí per al descobriment de l'protó. I pel que fa a l'neutró, el mateix Rutherford va proposar la seva existència alguns anys abans que finalment fos descobert.

El tub de Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) va dissenyar el tub que porta el seu nom cap a 1870, amb la intenció d'estudiar acuradament la naturalesa dels raigs catòdics. Va afegir camps elèctrics i camps magnètics, i va observar que els rajos eren desviats per aquests.

Esquema de l'tub de raigs catòdics. Font: Knight, R.

D'aquesta manera, Crookes i altres investigadors, incloent a Thomson, van trobar que:

1. Es generava un corrent elèctric a l'interior de l'tub de raigs catòdics
2. Els raigs eren desviats per la presència de camps magnètics, de la mateixa manera com ho eren les partícules carregades negativament.
3. Qualsevol metall emprat per fabricar el càtode servia igualment bé per produir raigs catòdics, i el comportament d'aquests era independent de l'material.

Aquestes observacions van avivar la discussió al voltant de l'origen dels raigs catòdics. Els que sostenien que eren ones, es basaven en que els raigs catòdics podien viatjar en línia recta. A més, aquesta hipòtesi explicava molt bé l'ombra que un objecte sòlid interposat llançava a la paret de l'tub i sota certes circumstàncies, se sabia que les ones podien causar fluorescència.

Però en canvi no s'entenia com era possible que els camps magnètics desviessin els raigs catòdics. Això només tenia explicació si es considerava a aquests raigs com partícules, una hipòtesi que Thomson compartia.

Partícules carregades en camps elèctrics i magnètics uniformes

Una partícula carregada amb càrrega q, experimenta una força Fe enmig d'un camp elèctric uniforme E, de magnitud:

Fe = q

Quan una partícula carregada travessa perpendicularment un camp elèctric uniforme, com el que es produeix entre dues plaques amb càrregues oposades, experimenta una desviació, i per tant una acceleració:

q = ma

a = q / m

D'altra banda, si la partícula carregada es mou amb velocitat de magnitud v, enmig d'un camp magnètic uniforme de magnitud B, la força magnètica Fm que experimenta té la següent intensitat:

Fm = qvB

Sempre i quan els vectors velocitat i camp magnètic siguin perpendiculars. Quan una partícula carregada incideix perpendicularment en un camp magnètic homogeni, també experimenta una desviació i el seu moviment és circular uniforme.

L'acceleració centrípeta a _c en aquest cas és:

qvB = ma _c

Al seu torn l'acceleració centrípeta està relacionada amb la rapidesa de la partícula v el radi R de la trajectòria circular:

a _c = v ² / R

Per tant:

qvB = mv ² / R

El radi de la trajectòria circular podria calcular de la següent manera:

R = mv / q ·

Més endavant s'utilitzaran aquestes equacions per recrear la forma en què Thomson va deduir la relació càrrega-massa de l'electró.

L'experiment de Thomson

Thomson va fer passar un feix de raigs catòdics, un feix d'electrons, encara que ell encara no ho sabia, a través de camps elèctrics uniformes. Aquests camps es creen entre dues plaques conductores carregades i separades a una petita distància.

També va fer passar els raigs catòdics per un camp magnètic uniforme, observant l'efecte que això tenia en el feix. Tant en un camp com l'altre, es produïa una deflexió en els raigs, la qual cosa va portar a Thomson a pensar, encertadament, que el feix estava compost de partícules carregades.

Per comprovar-ho, Thomson va dur a terme diverses estratègies amb els raigs catòdics:

1. Va fer variar els camps elèctrics i magnètics fins a aconseguir que les forces es cancel·lessin. D'aquesta manera els raigs catòdics passaven a través sense experimentar deflexió. Igualant les forces elèctrica i magnètica, Thomson va aconseguir determinar la velocitat de les partícules de l'feix.
2. Va anul·lar la intensitat de camp elèctric, d'aquesta manera les partícules van seguir una trajectòria circular al mig de camp magnètic.
3. Va combinar els resultats dels passos 1 i 2 per a determinar la relació càrrega-massa dels "corpuscles".

La relació càrrega-massa de l'electró

Thomson va determinar que la relació càrrega-massa de les partícules que constituïen el feix de raigs catòdics té el següent valor:

q / m = 1.758820 x 10 11 C.kg-1.

On q representa la càrrega del "corpuscle", que és en realitat l'electró im és la massa d'ell mateix. Thomson va seguir el procediment descrit en la secció anterior, el qual recreem aquí pas a pas, amb les equacions que ell va utilitzar.

Quan els raigs catòdics travessen els camps elèctrics i magnètics creuats, passen sense deflexió. A l'anul·lar-se el camp elèctric, incideixen en la part superior de l'tub (el camp magnètic està assenyalat amb els punts blaus entre els elèctrodes). Font: Knight, R.

pas 1

Igualar la força elèctrica i la força magnètica, fent passar el feix pels camps elèctric i magnètic perpendiculars:

qvB = q

pas 2

Determinar la velocitat adquirida per les partícules de el feix quan passen directament sense deflexió:

v = E / B

pas 3

Anul·lar el camp elèctric, deixant només el camp magnètic (ara sí que hi ha deflexió):

R = mv / q ·

Amb v = E / B resulta:

R = mE / q · ²

El radi de l'òrbita pot mesurar-se, per tant:

q / m = v / RB

O bé:

q / m = E / RB ²

Lectura

El següent que va fer Thomson va ser mesurar el quocient q / m utilitzant càtodes fets de diferents materials. Tal com es va dir anteriorment, tots els metalls emetien raigs catòdics amb idèntiques característiques.

Després Thomson va comparar els seus valors amb els de el quocient q / m de l'ió hidrogen, obtingut per electròlisi i el valor és aproximadament d'1 x 10 ⁸ C / kg. El quocient càrrega-massa de l'electró és aproximadament 1750 vegades més gran que el d'ió d'hidrogen.

Per tant els raigs catòdics tenien molta més càrrega, o potser una massa molt menor que la de l'ió hidrogen. L'ió hidrogen és simplement un protó, l'existència es va conèixer temps després dels experiments de dispersió de Rutherford.

Avui dia se sap que el protó és gairebé 1800 vegades més massiu que l'electró i amb càrrega d'igual magnitud i signe contrari a la de l'electró.

Un altre detall important és que amb els experiments de Thomson no es va determinar directament la càrrega elèctrica de l'electró, ni tampoc el valor de la seva massa per separat. Aquests valors es van determinar mitjançant els experiments de Millikan, que van començar el 1906.

Diferències de models de Thomson i Dalton

La diferència fonamental d'aquests dos models, és que Dalton pensava que l'àtom és una esfera. A contra de Thomson, no va proposar l'existència de càrregues positives o negatives. Per Dalton un àtom era així:

Àtom de Dalton

Com hem vist anteriorment, Thomson pensava que l'àtom sí que era divisible, i l'estructura està formada per una esfera positiva i electrons voltant.

Errors i limitacions de el model

En el seu moment, el model atòmic de Thomson va aconseguir explicar molt bé el comportament químic de les substàncies. També va explicar encertadament els fenòmens que ocorrien en el tub de raigs catòdics.

Però de fet Thomson ni tan sols va cridar als seus partícules "electrons", encara que el terme ja havia estat encunyat prèviament per George Johnstone Stoney. Thomson simplement els denominava "corpuscles".

Encara Thomson va fer ús de tot el coneixement de què disposava per al moment, hi ha diverses limitacions importants en el seu model, que van ser evidents ben aviat:

- La càrrega positiva no està repartida per tot l'àtom. Els experiments de la dispersió de Rutherford van mostrar que la càrrega positiva de l'àtom necessàriament està confinada a una petita regió de la mateixa, que després va passar a ser coneguda com el nucli atòmic.

- Els electrons tenen una distribució específica dins de cada àtom. Els electrons no estan repartits de manera uniforme, com les panses de el famós budín, sinó que tenen una disposició en orbitals que els models posteriors van posar de manifest.

És justament la disposició dels electrons dins de l'àtom la que permet organitzar els elements per les característiques i propietats a la taula periòdica. Aquesta era una limitació important de el model Thomson, que no podia explicar com era possible ordenar als elements d'aquesta manera.

- El nucli atòmic és el que conté la major part de la massa. El model de Thomson va postular que la massa de l'àtom estava repartida uniformement al seu interior. Però avui en dia sabem que la massa de l'àtom està pràcticament concentrada en els protons i neutrons de l'nucli.

És important destacar també que aquest model de l'àtom no permetia inferir el tipus de moviment que tenien els electrons dins de l'àtom.

Articles d'interès

Model atòmic de Schrödinger.

Model atòmic de Broglie.

Model atòmic de Chadwick.

Model atòmic de Heisenberg.

Model atòmic de Perrin.

Model atòmic de Dalton.

Model atòmic de Dirac Jordan.

Model atòmic de Demòcrit.

Model atòmic de Bohr.

Model atòmic de Sommerfeld.

referències

1. Andriessen, M. 2001. HSC Course. Physics 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson.
5. Wikipedia. Model atòmic de Thomson. Recobrat de: es.wikipedia.org.