汤姆逊原子模型及其局限性

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简介

英国研究人员 J.J. 汤姆逊揭示，原子是由许多微小的组成部分构成的，这些组成部分被设计用来传输电荷。在汤姆逊的研究期间，科学家们认为原子在本质上是中性的。汤姆逊声称，原子包含在正电荷流体上漂浮的微观负电粒子。这种模型也被称为葡萄干布丁模型。

我们如何理解原子模型？

原子模型是描述原子组成和结构的框架，它随着时间的推移而不断发展。作为宇宙的组成部分，原子已被广泛研究，以了解原子如何构成宇宙。随着时间的推移，已经提出了五种主要的原子模型，每种模型都与特定时期对原子的研究相关。这五种原子模型分别是：玻尔原子模型、量子原子模型、汤姆逊原子模型（也称为葡萄干布丁模型）、道尔顿原子模型以及卢瑟福原子模型。

葡萄干布丁模型

J. J. 汤姆逊于 1897 年发现了电子，并在 1904 年提出了原子模型，将电子纳入原子模型中，这就是葡萄干布丁模型。在这个模型中，电子被认为排列成环状，围绕原子形成一个正电荷“云”。人们认为原子是由一个带正电的球体组成的，电子嵌入其中。负电荷和正电荷的大小相同。整个原子是电中性的。然而，虽然汤姆逊的假设解释了为什么原子是电中性的，但它并没有解释其他研究人员进行的观察结果。

J.J. 汤姆逊的假设是什么？

• 原子是电中性的。

• 存在正电荷，抵消了电子的负电荷。

• 这种正电荷均匀地分布在整个原子中。

• 根据汤姆逊的说法，“带负电的微粒”，即电子，被困在正电荷的均匀体积内。

• 电子可以在原子中自由移动。

• 根据高斯定律，电子具有稳定的轨道。如果电子穿过正电“质量”，则轨道周围自发产生的正电荷会中和它们的内力。在英国，这种原子模型被广泛称为葡萄干布丁模型，因为汤姆逊预测的模式与葡萄干布丁的排列非常相似。

J.J. 汤姆逊原子模型（葡萄干布丁模型）的局限性

• 它没有解决原子稳定性问题，因为他的原子模型无法解释正电荷如何维持电子在原子中的存在。因此，该模型也无法解释原子核的位置。

• 他的模型无法解释薄金属箔如何导致α粒子散射。

• 没有实验数据支持这一说法。

• 尽管这不是一个现实的模型来解释原子结构，但他的模型为后续原子模型的创建奠定了基础。对原子及其结构的研究为无数后续的突破打开了大门，这些突破在科学进步中发挥了重要作用。

J.J. 汤姆逊如何改变道尔顿的原子理论？

根据道尔顿的原子理论，宇宙中所有元素都由肉眼看不见的微小物质构成。这些物质被认为是原子。

• 原子不可分割的说法是不正确的。原子可以进一步分裂成质子、电子和中子。

• 根据道尔顿的假设，相同元素的原子在各个方面都相同，而不同元素的原子在重量和密度方面有所不同。

• 该假设没有解释同素异形体的存在。汤姆逊更新了原子假设，将原子定义为均匀排列的球体，其中包含带正电的物质，并装载着带负电的电子。

结论

本教程重点介绍了科学家 J.J. 汤姆逊提出的原子模型，通常称为葡萄干布丁模型，以及它面临的局限性。J.J. 汤姆逊将其设计比作西瓜。他的模型无法解释正电荷如何维持电子在原子中的存在，因此他无法解释原子稳定性。他也没有解释薄金属箔如何散射α粒子。

常见问题

1.使用葡萄干布丁模型说明原子整体如何呈电中性。

根据葡萄干布丁模型，原子本质上是一个带正电的球体，其中嵌入带负电的电子。由于电荷大小相同，它们相互抵消并使原子呈中性。

2.描述葡萄干布丁模型的主要缺点。

尽管该模型在当时得到了认可，但很快就被放弃了，因为它无法实现原子稳定性，因为它无法解释带负电的电子如何被限制在带正电的球体中。换句话说，它无法解释原子中存在原子核。

3.描述化学组合定律。

根据质量守恒定律，如果化学系统与所有外部形式的能量和热量隔绝，则在化学反应中不会产生或消失任何质量。因此，质量的总量随着时间的推移而保持不变。

根据定比定律，化学化合物的组成元素总是以固定的质量比存在。这意味着每种纯化合物将始终具有相同成分，且质量比例相同。

4.科学家 J.J. 汤姆逊是否发现了原子核？

他在 1897 年发现了电子，并在 1904 年提出了葡萄干布丁模型，以将电子纳入原子模型中，然后才发现了原子核。他并不是第一个发现原子核的人。另一位科学家欧内斯特·卢瑟福在他的锡箔实验中发现了原子核。

5.如何证明物质是由带电粒子组成的？

• 梳理头发，并将梳子靠近一些小纸屑。纸屑会粘在梳子上。梳理头发会将头发的一些亚原子粒子（称为电子）转移到梳子上。由于电子带负电荷，因此梳子也会获得电子电荷（即负电荷）。最后，将梳子靠近纸屑会将纸屑吸引到梳子上。

• 用丝绸布摩擦玻璃棒，然后将玻璃棒靠近一个充气的气球。电子从玻璃棒转移到丝绸布上。因此，玻璃棒现在带正电。当将带正电的玻璃棒靠近充气气球时，它会被吸引到充气气球上。