Τι είναι ο J.J. Το μοντέλο Thomson's Plum Pudding;

Τα ηλεκτρόνια ήταν τα αρνητικά δαμάσκηνα που ήταν ενσωματωμένα σε μια θετική πουτίγκα. Το όνομα έχει κολλήσει και το μοντέλο εξακολουθεί να αναφέρεται συνήθως ως μοντέλο Plum Pudding.

Η γνώση μπορεί είτε να προέρχεται από τη γνωριμία, όπως το χρώμα ενός δέντρου, είτε — εάν το φαινόμενο είναι αδύνατο να «γνωριστεί κανείς» — από την περιγραφή. Αυτό θα περιλαμβάνει πώς ένα μάτι ανιχνεύει το χρώμα ή πώς δημιουργούνται τα ίδια τα χρώματα. Ονομάζουμε αυτές τις περιγραφές μοντέλα.

Ωστόσο, η περιγραφική γνώση βασίζεται σε άλλες περιγραφές. Για παράδειγμα, για να καταλάβουμε πώς δημιουργείται ένα χρώμα, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τη δομή ενός ατόμου, το οποίο είναι ένα αντικείμενο εκατομμύριο φορές πιο λεπτό από ένα σκέλος ανθρώπινης τρίχας- μπορεί να γίνει κατανοητό μόνο μέσω περιγραφών. J.J. Το μοντέλο Thomson's Plum Pudding ήταν μια τέτοια περιγραφή ενός ατόμου, το οποίο εκείνη την εποχή θεωρούνταν το πιο θεμελιώδες συστατικό της ύλης.

Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου

Όταν εφαρμόζεται μια τάση μεταξύ ενός θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου που τοποθετούνται σε έναν πλήρως εκκενωμένο ή κενό θάλαμο, το γυαλί ή η περιοχή του θαλάμου πίσω από το θετικό ηλεκτρόδιο σταδιακά αρχίζει να λάμπει. Οι φυσικοί το ονομάζουν αυτό φθορισμό. Αυτό που ταξιδεύει ανάμεσα στα ηλεκτρόδια και στίγματα στο γυαλί είναι αόρατο. Οι ακτίνες μπέρδευαν τους φυσικούς για χρόνια, οι οποίοι — δεδομένου ότι οι ακτίνες προέρχονταν από την κάθοδο ή το αρνητικό ηλεκτρόδιο — απλώς τις ονόμασαν καθοδικές ακτίνες.

(Πίστωση φωτογραφίας:Wikimedia Commons)

Νωρίτερα, ο Dalton είχε προτείνει ότι τα άτομα είναι το θεμελιώδες συστατικό της ύλης. είναι αδιαίρετοι και άφθαρτοι. Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί πίστευαν ότι το Σύμπαν διαπερνούσε ένα υλικό που αποκαλούσαν αιθέρα, το οποίο λειτουργούσε ως το μέσο για τη διάδοση του φωτός. Το σκεπτικό ήταν ότι αν τα κύματα δεν μπορούν να ταξιδέψουν χωρίς μέσο, ​​πώς μπορεί το ηλιακό φως να φτάσει στη Γη; Ο χώρος, δήλωσαν, δεν ήταν κενός, αλλά γεμάτος με αιθέρα μέσω του οποίου το φως μπορούσε να ρέει απρόσκοπτα. Οι φυσικοί πίστευαν ότι τα άτομα ήταν επίσης διαταραχές σε αυτόν τον εύπλαστο αιθέρα. πίστευαν ότι τα άτομα ήταν κυριολεκτικά μόνιμες δίνες που στροβιλίζονταν ασταμάτητα σε αυτό.

Ωστόσο, ο J.J. Ο Τόμσον ήταν ένας έντονα πρακτικός άνθρωπος, κάποιος γνώστης των αρχών της επιστήμης. Εν όψει της φτώχειας των αποδεικτικών στοιχείων για την ύπαρξη του αιθέρα, ο Τόμσον ήταν δύσπιστος. Έτσι, ο Thomson αποφάσισε να ψάξει ο ίδιος για άτομα. Όταν ο Thomson πραγματοποίησε το πείραμα με τις καθοδικές ακτίνες, αλλά με έναν μαγνήτη ενδιάμεσα, κατάφερε να διεισδύσει στην πραγματικότητα λίγο πιο βαθιά.

Παλαιότερα, πίστευαν ότι οι καθοδικές ακτίνες, όπως και το φως, ήταν διακριτές και άυλες. Ωστόσο, όταν ο Thomson τους ανάγκασε να ταξιδέψουν μεταξύ των μαγνητών, παρατήρησε ότι εκτρέπονταν προς έναν. Αργότερα παρατήρησε ότι εκτρέπονταν και από ηλεκτρικά πεδία. Ο Thomson συμπέρανε ότι τα σωματίδια που αποτελούν τις καθοδικές ακτίνες είναι φορτισμένα και από την εκτροπή συμπέρανε ότι το φορτίο ήταν αρνητικό.

(Πίστωση φωτογραφίας:Wikimedia Commons)

Σύμφωνα με υπολογισμούς, το σωματίδιο βρέθηκε να είναι εξαιρετικά μικροσκοπικό, τουλάχιστον 1000 φορές μικρότερο από το ίδιο το άτομο. Ο Τόμσον είχε ανακαλύψει το ηλεκτρόνιο. Το όνομα, ωστόσο, επινοήθηκε από τον G.J. Stoney. Ο Thomson, στην πραγματικότητα, αναφέρθηκε σε αυτό το αντικείμενο ως «το αρνητικό σώμα». Όσο για τον αιθέρα, έγινε περιττός όταν ο James Clerk Maxwell απέδειξε επιτυχώς ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα και επομένως δεν απαιτεί μέσο για να ταξιδέψει.

Το μοντέλο Plum Pudding

Η ανακάλυψη ήταν βαθιά. Το ηλεκτρόνιο ήταν πιο θεμελιώδες από οτιδήποτε έχει ακόμη ανακαλυφθεί. Ήταν το πρώτο από τα πολλά μικροσκοπικά αντικείμενα που τώρα ονομάζονται υποατομικά σωματίδια που πρέπει να ανακαλυφθούν. Ωστόσο, τα άτομα δεν μπορούν απλώς να περιορίσουν ένα αρνητικό φορτίο, επειδή είναι, φυσικά, ηλεκτρικά ουδέτερα. Ο Thomson συνειδητοποίησε αμέσως ότι υπήρχε μια πηγή θετικού φορτίου που αναιρούσε τα αρνητικά φορτία και καθιστούσε το άτομο εντελώς ουδέτερο.

Ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1906 για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου. (Πίστωση φωτογραφίας:Wikimedia Commons)

Thomson, στο διάσημο Philosophical Magazine Η έκδοση Μαρτίου του 1904, πρότεινε ένα μοντέλο του ατόμου σύμφωνα με το οποίο το άτομο ήταν μια οριοθετημένη περιοχή θετικού φορτίου που καταλαμβανόταν από αρνητικά φορτία. Με τα δικά του λόγια:«τα άτομα των στοιχείων αποτελούνται από έναν αριθμό αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων που περικλείονται σε μια σφαίρα ομοιόμορφου θετικού ηλεκτρισμού». Η προκριματική «στολή» είναι κρίσιμη εδώ. Το μέγεθος της θετικότητας του χώρου ήταν ίσο με το καθαρό αρνητικό φορτίο που παράγεται από τα ηλεκτρόνια, καθιστώντας έτσι το άτομο ουδέτερο.

Το μοντέλο, αναγνώρισαν οι Βρετανοί φυσικοί, θύμιζε πουτίγκα από δαμάσκηνο, ένα επιδόρπιο που λατρεύουν οι Βρετανοί. Τα ηλεκτρόνια ήταν τα αρνητικά δαμάσκηνα ενσωματωμένα σε μια θετική πουτίγκα. Το όνομα κόλλησε και το μοντέλο εξακολουθεί να αναφέρεται συνήθως ως μοντέλο Plum Pudding. Ωστόσο, συχνά αποκαλείται και το μοντέλο καρπούζι. Είμαι βέβαιος ότι η σημασία είναι προφανής.

Ωστόσο, είναι περίεργο που κόλλησε το όνομα. Στο μοντέλο του Thomson, τα ηλεκτρόνια δεν είναι ακίνητα όπως τα δαμάσκηνα ή οι σπόροι στους πολτούς τους. Πρότεινε να κινούνται συνεχώς, ή ακριβέστερα, να περιστρέφονται πολύ γρήγορα. Οι τροχιές ήταν σταθερές επειδή, καθώς τα ηλεκτρόνια απομακρύνονταν από το κέντρο της σφαίρας, υποβλήθηκαν σε μια ακόμη μεγαλύτερη θετική δύναμη, καθώς η τροχιά τους περιελάμβανε πλέον «περισσότερο» θετικό φορτίο. Οι τροχιές σταθεροποιήθηκαν περαιτέρω καθώς τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούσαν με άλλα ηλεκτρόνια. Η ώθηση και το τράβηγμα αρνήθηκαν, επιτρέποντας έτσι στα ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γρήγορα σε κύκλους. Ωστόσο, αυτοί οι ίδιοι κύκλοι αποδείχτηκαν αποτυχημένοι του μοντέλου.

Το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου αποτυγχάνει

Στις αρχές της δεκαετίας του 1850, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι στοιχεία που μεταδίδονται με ενέργεια, για παράδειγμα, μέσω θερμότητας, εκπέμπουν ένα ξεχωριστό σχέδιο χρωμάτων. Τα χρώματα φαίνονται ασυνεχή, αλλά όταν τα δει κανείς με αυτό που ονομάζεται φασματοσκόπιο, μια συσκευή που διαχωρίζει τα χρώματα με τα μήκη κύματός τους, φαίνεται ότι τα χρώματα εκπέμπονται κατά διαστήματα:οι γραμμές των χρωμάτων διαχωρίζονται από γραμμές πλήρους σκοταδιού. Ένα τέτοιο μοτίβο ονομάζεται φάσμα εκπομπής και κάθε στοιχείο δημιουργεί ένα μοναδικό μοτίβο. Στην πραγματικότητα, επειδή κάθε στοιχείο δημιουργεί ένα μοναδικό φάσμα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτά τα φάσματα για να εντοπίσουν γνωστά στοιχεία ή να ανακαλύψουν νέα.

Φάσμα υδρογόνου. (Φωτογραφία:Patrick Edwin Moran / Wikimedia Commons)

Για να προσδιορίσουν την ακρίβεια ενός ατομικού μοντέλου, οι επιστήμονες συγκρίνουν το φάσμα που προβλέπει το μοντέλο για ένα στοιχείο με το πραγματικό φάσμα που εκπέμπει το στοιχείο. Εάν το φάσμα κάθε στοιχείου (ή τουλάχιστον ένας σημαντικός αριθμός) αντιγράφεται ακριβώς από το μοντέλο του, το πλαίσιο ελέγχου επισημαίνεται ως σωστό. Φυσικά, η λίστα ελέγχου είναι αρκετά εκτενής, αλλά αυτό είναι σίγουρα μια καλή αρχή. Ο Thomson πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από το κέντρο ήταν υπεύθυνα για το φάσμα. Ωστόσο, το μοντέλο του Thomson δεν μπορούσε να προβλέψει με επιτυχία το φάσμα ούτε ενός μόνο στοιχείου, ούτε καν του υδρογόνου, του στοιχείου που περιλαμβάνει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Για να επιτύχει τα αναμενόμενα αποτελέσματα, ο Thomson τσάκωσε με το μοντέλο του, αλλά όλα ήταν μάταια. Οι προσπάθειές του ήταν ανεπιτυχείς.

Στη συνέχεια, το 1911, ο Έρνεστ Ράδερφορντ ερμήνευσε αυτό που σήμερα αποκαλείται περίφημα Το πείραμα του φύλλου χρυσού διεξήχθη από τους Hans Geiger και Ernest Marsden το 1909. Ο Rutherford προέβλεψε με επιτυχία την ύπαρξη μιας εξαιρετικά πυκνής συγκέντρωσης θετικού φορτίου στο κέντρο των ατόμων. Αυτό ονομάστηκε πυρήνας του ατόμου. Το άτομο δεν ήταν ένα νέφος θετικού φορτίου με ηλεκτρόνια. στην πραγματικότητα, διαπιστώθηκε ότι ήταν σχεδόν εντελώς άδειο. Για προοπτική, αν το άτομο είναι το στάδιο, ο πυρήνας θα ήταν το μπέιζμπολ.

(Πίστωση φωτογραφίας:Wikimedia Commons)

Παρά το γεγονός ότι είχε αποδειχτεί ενοχλητικά λάθος, ο Τόμσον –θυμηθείτε έναν άνθρωπο που γνώριζε καλά τις αρχές της επιστήμης– ήταν μάλλον περήφανος για τον Ράδερφορντ, γιατί ήταν ο πιο πολύτιμος μαθητής του Τόμσον. Στην πραγματικότητα, κατά ειρωνικό τρόπο, ήταν ο ίδιος ο γιος του Τόμσον, ο Τζορτζ Τόμσον, ο οποίος στη συνέχεια απέδειξε ότι τα ηλεκτρόνια δεν συμπεριφέρονται απλώς σαν «σωμάτια», όπως είχε περιγράψει ο πατέρας του, αλλά και σαν κυματισμοί σε μια λίμνη. Ήταν ο πρώτος φυσικός που απέδειξε πειραματικά την κυματική φύση των ηλεκτρονίων.

Ο καθένας κέρδισε ένα βραβείο Νόμπελ για την επαναστατική συνεισφορά τους, για την αποκάλυψη της παράξενης αλλά αληθινής φύσης της Φύσης. Ωστόσο, η επιτυχία του Rutherford φαίνεται τυχαία, ήταν η σφιγμένη γροθιά που ο Thomson αποφάσισε ότι δεν έπρεπε να χτυπηθεί και να του ζητηθεί να τον στρίψουν και να ανοίξουν. Αφού εκτέλεσε το πείραμα με τις καθοδικές ακτίνες, ο Thomson έκανε στην πραγματικότητα τρεις προτάσεις:1) κάθε αρνητικό φορτίο που κατοικεί στο άτομο ζευγαρώνεται με ένα θετικό φορτίο. 2) ένα άτομο είναι μια «σούπα» ομοιόμορφου θετικού φορτίου στην οποία αρνητικά φορτισμένα σωματίδια περικυκλώνουν το κέντρο όπως οι καρχαρίες. ή 3) τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια περιφέρονται γύρω από μια κεντρική περιοχή θετικού φορτίου, η οποία έχει το ίδιο μέγεθος με το καθαρό αρνητικό φορτίο που δημιουργείται από τα «σωμάτια». Ο Τόμσον έπρεπε να κάνει μια επιλογή. Τα υπόλοιπα, όπως λένε, είναι ιστορία.