湯姆遜原子模型及其侷限性

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簡介

英國研究人員 J.J. 湯姆遜揭示，原子是由許多微小的組成部分構成的，這些組成部分被設計用來傳輸電荷。在湯姆遜的研究期間，科學家們認為原子在本質上是中性的。湯姆遜聲稱，原子包含在正電荷流體上漂浮的微觀負電粒子。這種模型也被稱為葡萄乾布丁模型。

我們如何理解原子模型？

原子模型是描述原子組成和結構的框架，它隨著時間的推移而不斷發展。作為宇宙的組成部分，原子已被廣泛研究，以瞭解原子如何構成宇宙。隨著時間的推移，已經提出了五種主要的原子模型，每種模型都與特定時期對原子的研究相關。這五種原子模型分別是：玻爾原子模型、量子原子模型、湯姆遜原子模型（也稱為葡萄乾布丁模型）、道爾頓原子模型以及盧瑟福原子模型。

葡萄乾布丁模型

J. J. 湯姆遜於 1897 年發現了電子，並在 1904 年提出了原子模型，將電子納入原子模型中，這就是葡萄乾布丁模型。在這個模型中，電子被認為排列成環狀，圍繞原子形成一個正電荷“雲”。人們認為原子是由一個帶正電的球體組成的，電子嵌入其中。負電荷和正電荷的大小相同。整個原子是電中性的。然而，雖然湯姆遜的假設解釋了為什麼原子是電中性的，但它並沒有解釋其他研究人員進行的觀察結果。

J.J. 湯姆遜的假設是什麼？

• 原子是電中性的。

• 存在正電荷，抵消了電子的負電荷。

• 這種正電荷均勻地分佈在整個原子中。

• 根據湯姆遜的說法，“帶負電的微粒”，即電子，被困在正電荷的均勻體積內。

• 電子可以在原子中自由移動。

• 根據高斯定律，電子具有穩定的軌道。如果電子穿過正電“質量”，則軌道周圍自發產生的正電荷會中和它們的內力。在英國，這種原子模型被廣泛稱為葡萄乾布丁模型，因為湯姆遜預測的模式與葡萄乾布丁的排列非常相似。

J.J. 湯姆遜原子模型（葡萄乾布丁模型）的侷限性

• 它沒有解決原子穩定性問題，因為他的原子模型無法解釋正電荷如何維持電子在原子中的存在。因此，該模型也無法解釋原子核的位置。

• 他的模型無法解釋薄金屬箔如何導致α粒子散射。

• 沒有實驗資料支援這一說法。

• 儘管這不是一個現實的模型來解釋原子結構，但他的模型為後續原子模型的建立奠定了基礎。對原子及其結構的研究為無數後續的突破打開了大門，這些突破在科學進步中發揮了重要作用。

J.J. 湯姆遜如何改變道爾頓的原子理論？

根據道爾頓的原子理論，宇宙中所有元素都由肉眼看不見的微小物質構成。這些物質被認為是原子。

• 原子不可分割的說法是不正確的。原子可以進一步分裂成質子、電子和中子。

• 根據道爾頓的假設，相同元素的原子在各個方面都相同，而不同元素的原子在重量和密度方面有所不同。

• 該假設沒有解釋同素異形體的存在。湯姆遜更新了原子假設，將原子定義為均勻排列的球體，其中包含帶正電的物質，並裝載著帶負電的電子。

結論

本教程重點介紹了科學家 J.J. 湯姆遜提出的原子模型，通常稱為葡萄乾布丁模型，以及它面臨的侷限性。J.J. 湯姆遜將其設計比作西瓜。他的模型無法解釋正電荷如何維持電子在原子中的存在，因此他無法解釋原子穩定性。他也沒有解釋薄金屬箔如何散射α粒子。

常見問題

1.使用葡萄乾布丁模型說明原子整體如何呈電中性。

根據葡萄乾布丁模型，原子本質上是一個帶正電的球體，其中嵌入帶負電的電子。由於電荷大小相同，它們相互抵消並使原子呈中性。

2.描述葡萄乾布丁模型的主要缺點。

儘管該模型在當時得到了認可，但很快就被放棄了，因為它無法實現原子穩定性，因為它無法解釋帶負電的電子如何被限制在帶正電的球體中。換句話說，它無法解釋原子中存在原子核。

3.描述化學組合定律。

根據質量守恆定律，如果化學系統與所有外部形式的能量和熱量隔絕，則在化學反應中不會產生或消失任何質量。因此，質量的總量隨著時間的推移而保持不變。

根據定比定律，化學化合物的組成元素總是以固定的質量比存在。這意味著每種純化合物將始終具有相同成分，且質量比例相同。

4.科學家 J.J. 湯姆遜是否發現了原子核？

他在 1897 年發現了電子，並在 1904 年提出了葡萄乾布丁模型，以將電子納入原子模型中，然後才發現了原子核。他並不是第一個發現原子核的人。另一位科學家歐內斯特·盧瑟福在他的錫箔實驗中發現了原子核。

5.如何證明物質是由帶電粒子組成的？

• 梳理頭髮，並將梳子靠近一些小紙屑。紙屑會粘在梳子上。梳理頭髮會將頭髮的一些亞原子粒子（稱為電子）轉移到梳子上。由於電子帶負電荷，因此梳子也會獲得電子電荷（即負電荷）。最後，將梳子靠近紙屑會將紙屑吸引到梳子上。

• 用絲綢布摩擦玻璃棒，然後將玻璃棒靠近一個充氣的氣球。電子從玻璃棒轉移到絲綢布上。因此，玻璃棒現在帶正電。當將帶正電的玻璃棒靠近充氣氣球時，它會被吸引到充氣氣球上。