標籤:物質結構原子 原子模型

「葡萄乾蛋糕」又稱「棗糕模型」,是科學家湯姆生提出的原子結構模型。此模型曾在一段時間內受到學界廣泛的認可,並能對原子的電中性的,電子在原子里的分佈問題等給出合理的解釋,在對原子結構的科學研究過程中,有著重要的推動和促進作用。本詞條對該模型理論進行了解釋,並對此模型理論的發展及推翻進行了詳細記載。

1模型簡介

"葡萄乾蛋糕"(Plum Pudding Model)指的是一種模型,又可翻譯為「棗糕模型」又叫「西瓜模型」,又叫「湯姆孫模型」。
1903年物理學家湯姆孫(J.J. Thomson,1856-1940)提出了一個原子結構模型,人們把它叫做"葡萄乾蛋糕"模型.
湯姆孫模型認為,正電荷均勻分佈在整個原子球體中(球直徑的數量級是10的-10次方米),帶負電的電子散布在原子中,這些電子分佈在對稱的位置上.當這些電子靜止在平衡位置上時,電子就會振動而使原子發光.
歷史上,在一段時間內湯姆孫的原子模型曾得到廣泛的承認,後來被盧瑟福的有核模型所取代.

2湯姆孫的原子模型

湯姆孫在卡文迪許實驗室發現了電子之後,並沒有絲毫的滿足。一個更重要的問題在他的腦海里盤旋:既然陰極原子會放出大量的電子,那麼,這些電子在物質的原子結構中一定扮演了一個很重要的角色。這種想法在當時可算得上是一種創見,因為按照傳統的觀點,原子是一個堅硬的實心小球,它裡面未必會有什麼新鮮玩藝兒。
1904年,湯姆孫根據自己的實驗結果,又借鑒了別的科學家的研究成果,給原子王國描繪了這樣一幅圖象:原子是一個小小的球體,原子裡面充滿了均勻分佈的帶正電的流體。球內還有若干個電子,它們都在這種正電荷液體中,就象許多軟木塞浸在一盆水裡一樣,這些電子等間隔地排列在與正電球同心的圓周上,並以一定的速度做圓周運動從而發出電磁輻射,原子光譜所反映的就是這些電子的輻射頻率。由於電子所帶負電荷的總和與電液體所帶正電荷總和相等,但符號相反,所以原子從外面看上去是中性的.在湯姆孫提出的這種原子模型中,電子鑲嵌在正電荷液體中,就象葡萄乾點綴在一塊蛋糕里一樣,所以又被人們稱為「葡萄乾蛋糕模型」。
從經典物理學的角度看,湯姆孫的模型是很成功的。它不僅能解釋原子為什麼是電中性的,電子在原子里是怎樣分佈的,而且還能解釋原子為什麼會發光。此外,從湯姆孫模型出發,還能估計出原子的大小約為一億分之一(10-8)厘米,這也是一項驚人的成就。並且,湯姆孫還得出一個結論:原子中電子的數目等於門捷列夫元素周期表中的原子序數,這個結論是正確的。因此,在一段時間裡,湯姆孫的原子模型得到了廣泛的承認。現在,展現在人們面前的原子既不是一個虛無縹緲的世界,也不是一個簡簡單單的實心小球。原子是有質量(儘管很輕)、有大小 (儘管很小)、有內部結構的東西了。

3湯姆生的原子模型的推翻

以湯姆孫為首的英國劍橋學派,在原子物理學上所取得的這些驚人成就,使歐洲大陸上的物理學家都拜倒在他們的腳下。但誰也不曾想到,如此完美的原子模型在十多年後竟被湯姆孫的一位學生推翻了,這位「叛逆者」來自距離英國萬里之外的紐西蘭。
如下:該模型中,正電荷均勻分佈的原子(球體),根據高斯定理可求出電場分佈
當r<R時,E=Zer/(4πR^3);當r>R時,E=Ze/(4πr^2).
其中Z為原子序數,e為基元電荷,R為原子半徑,r為距球心距離。
可知電場力最大發生於掠射,即r=R時,Fm=2e*Ze/(4πε0*R^2)
其中α粒子帶電2e,ε0為真空介電常量。
估計α粒子由散射引起的動量的變化,Δp=I=Fm*t
而α粒子在原子附近度過的時間約為 2R/v
故θ=Δp/p=(Fm*2R/v)/mv=[2Z/(mv^2/2)]*(e^2/4πε0*R) (m為α粒子質量)
Eα=mv^2/2 為α粒子動能,代入數值,得
θ=3*10^-5*Z/Eα
再考慮電子對α粒子偏轉的影響。
因為電子質量為α粒子的1/8000,電子的作用幾乎完全可以忽略,即使是對頭撞
θ=Δp/p=m'/(m+m')=1/8001≈10^-4
綜合而言,可以很保守的估計
θ<10^-4*Z/Eα
對於5MeV的α粒子對金原子(Z=79)的散射,每次碰撞的偏轉角將小於10^-3 rad
要引起90度的偏轉,可以估計概率約為10^-3500,但是蓋革-馬斯頓實驗測得卻是1/8000.
由此可見湯姆孫模型被推翻了,它無法解釋α粒子散射實驗中出現的如此大概率的大角度偏轉。

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