Gyorskeresés

A Thomson-féle atommodell 14017

Thomson 1897-ben katódsugárcsőben a katódsugarakat elektromos és mágneses mezőkkel eltérítette, és így kimérte a katódsugárzás \(\displaystyle \frac{e}{m}\) fajlagos töltését. Ezzel eldőlt, hogy a katódsugárzás negatív töltésű, nagy sebességgel repülő részecskékből (korpuszkulákból) áll. Thomson ezeket elektronoknak nevezte el. Mivel a katód fémlemeze korlátlan mennyiségben képes volt katódsugárzást kibocsátani (ehhez csak az áramforrás feszültségét kellett biztosítani), ésszerű feltételezés volt, hogy az elektronok a katód fémlemezét felépítő atomok alkotórészei, eleve már benne vannak a fémben, ráadásul minden fémben, hiszen katódsugárzást mindenféle fémből készített negatív elektróda kibocsátott. Ugyanakkor az is ismert volt, hogy az atomok \(\approx 10^{-10}\ \mathrm{m}\) átmérőjű (és az egyszerűség kedvéért gömb alakúnak képzelt) objektumok és semlegesek. Úgyhogy a negatív elektronok mellett kell valamiféle pozitív töltésnek is lennie az atomban. Ezek alapján Thomson 1904-ben megalkotta az első tudományos atommodellt. Úgy vélte, hogy az atom teljes térfogatát egyenletesen kitölti valami pozitív töltésű anyag (amit valamilyen, a folyadékok kohéziós erőjéhez hasonló kölcsönhatás tart egyben), és ebben valahogyan "úszkálnak" a negatív elektronok, amik ki is léphetnek belőle:

 

Ez hasonlít a mazsolás kalácsra: a kalács tésztája a teljes térfogatot kitöltö pozitív "massza", a benne elszórtan található kis mazsolák pedig a negatív elektronok, ezért ezt szokás az atomok "mazsolás kalács"-modelljének is nevezni. Több elektronos atom esetén úgy szokták ábrázolni, hogy a negatív elektronok az atom felszínén helyezkednek el, egyrészt olyan megfontolásból, hogy az elektronok taszítják egymást (ezért próbálnak minél távolabb elhelyezkedni egymástól), másrészt hogy a gázkisülési cső katódjának fématomjaiból könnyen ki tudjanak lépni az elektronok. Azonban Thomson elképzelése szerint a pozitív töltésű "masszában" az elektronok könnyen (súrlódásmentesen) tudnak mozogni, és nemcsak a felszínen helyezkedhetnek el. Több lehetőséget is részletesen végigszámolt, keresve stabil elektronelrendeződéseket:

  • az elektronok az atomon belül térben elszórtan helyezkednek el, és csak rezgőmozgást végeznek, a saját egyensúlyi helyzetük körül
  • az elektronok körpályákon keringenek a gömb alakú atom geometriai középpontja körül (atommagról még nem tudtak ekkoriban)

Thomson arra jutott, hogy az elekronok számának növelésekor az elektronok rendszere csak akkor lesz stabil, ha több, különböző sugarú pályán helyezkednek el vagy mozognak, tehát megsejtette az elektronhéjak létezését. 

Az egyensúlyi helyzet körüli rezgőmozgás azért jó, mert a rezgő elektron - mint minden gyorsuló töltés - elektromágneses hullámokat sugároz, tehát Thomson atommodellje számot tudott adni az atomok fénykibocsátásáról, vagyis az akkoriban az érdeklődés középpontjában álló jelenségről, hopgy a gázkisülési csőben a gázok látványosan világítanak (emisszió). Továbbá, ha egy ilyen, Thomson-féle atomon áthalad egy elektromágneses hullám, akkor az elektron helyén időben periodikusan változó elektromos térerősség az elektront periodikusan megrángatja, ezáltal rezgésbe hozza, vagyis az elektron mozgási és elektromos potenciális energiára szert téve képes energiát elnyelni az elektromágneses hullámtérből. Ezzel tehát a modell a fényabszorpció jelenségét is értelmezni tudta. Sőt, mivel az elektron az egyensúlyi helyzete körül csak bizonyos sajátfrekvenciával tud rezegni (amely frekvenciát a töltés- és tömegelrendezés határozza meg), ezért a gázok szinképének vonalas jellegét is képes volt valamennyire magyarázni, ami pedig akkoriban érthetetlennek számított. A rövid életű Thomson-atommodell halálát végül a szóráskísérletek hozták el, melyeket először Lenard elektronnal, majd Geiger és Mardsen (Rutherford irányítása alatt) alfa-sugárzással végzett el.

Thomson szemléltetésképp a Christmas pudding, más néven Plum pudding süteményhez hasonlította az atommodelljét, mely a britek hagyományos karácsonyi süteménye. Ennek tésztájában elszórtan mazsola vagy egyéb aszalt bogyós gyömölcs is található (a plum szó a régi angol nyelvben a szilva mellett a mazsolára is használatos volt). Thomson idejében ezt a süteményt a kevésbé tehetős háztartásokban (ahol nem álltak rendelkezésre a süteménykészítéshez sütőformák) úgy készítették el, hogy az alapanyagokat összekeverték, textil kendőbe rakták, és egy fedett lábasba fapálcán belógatva, forró gőzben párolták készre.



Mivel akkoriban egy családban sokan voltak, ezért a mennyiség a hagyomány szerint Jézusra és a 12 apostlolra utalva 13 főnyi volt, így a végeredmény ágyúgolyó alakú és méretű gombóc lett. Thomson ehhez hasonlította az atom felépítését.