トムソンの原子モデル：特性、仮説、素粒子 - 物理的 - 2025

トムソンの原子モデルは、電子を発見した有名な英国の物理学者JJトムソンによって作成されました。この発見とガスの電気伝導に関する彼の研究により、1906年にノーベル物理学賞を受賞しました。

陰極線に関する彼の研究から、ダルトンが前のモデルで仮定したように、原子は不可分な実体ではないが、明確に定義された内部構造を含んでいることが明らかになりました。

トムソンは、陰極線での実験結果に基づいて原子のモデルを作成しました。その中で彼は、電気的に中性の原子は等しい大きさの正と負の電荷で構成されていると述べました。

トムソンの原子モデルは何と呼ばれ、なぜですか？

トムソンによれば、正の電荷は原子全体に分布し、負の電荷はプリンのレーズンのように原子に埋め込まれていました。この比較から、モデルは非公式に知られているため、「レーズンプディング」という用語が使用されました。

ジョセフジョントムソン

トムソンのアイデアは今日、かなり原始的に見えますが、当時、それは新しい貢献を表しています。モデルの短命（1904年から1910年）の間、多くの科学者の支持を得ましたが、多くの人が異端だと考えていました。

ついに1910年に原子構造に関する新しい証拠が現れ、トムソンのモデルはすぐに横になりました。これはラザフォードが彼の散乱実験の結果を発表するとすぐに起こり、原子核の存在が明らかになりました。

しかし、トムソンのモデルは、素粒子の存在を仮定した最初のモデルであり、その結果は、細かく厳密な実験の成果でした。このようにして、彼はその後のすべての発見の先例を設定しました。

Thomsonモデルの特性と仮定

トムソンはいくつかの観察に基づいて彼の原子モデルに到着しました。1つ目は、レントゲンによって新たに発見されたX線が空気分子を電離できることでした。それまでは、イオン化する唯一の方法は、溶液中のイオンを化学的に分離することでした。

しかし、イギリスの物理学者は、X線を使用してヘリウムなどの単原子ガスもうまくイオン化できました。これにより、原子内部の電荷は分離できるため、分割できないわけではないと信じました。また、陰極線それらは電場と磁場によってそらされる可能性があります。

電子の発見者、JJトムソン。出典：Lifeder。

そこでトムソンは、原子が電気的に中性であり、陰極線が負に帯電した粒子で構成されているという事実を正しく説明するモデルを考案しました。

トムソンは実験的な証拠を使用して、原子を次のように特徴付けました。

-原子は電気的に中性の固体球で、半径はおよそ10 ^-10 mです。

-正電荷は、球全体に多かれ少なかれ均一に分布しています。

-原子には、中性を保証する負に帯電した「小体」が含まれています。

-これらの小体はすべての問題で同じです。

-原子が平衡状態にある場合、正電荷の球内に規則的にリング状に配置されたn個の小体があります。

-原子の質量が均一に分布しています。

陰極線

電子ビームは陰極から陽極に向けられます。

トムソンは1859年に発見された陰極線を使用して実験を行いました。陰極線は負に帯電した粒子の束です。それらを製造するために、カソードとアノードと呼ばれる2つの電極が配置された真空ガラス管が使用されます。

次に、電流を流してカソードを加熱します。これにより、反対側の電極に直接向かう不可視の放射線が放出されます。

陰極線に他ならない放射線を検出するために、陽極の後ろの管の壁は蛍光物質で覆われています。放射線がそこに到達すると、管の壁が強い光を放ちます。

固体の物体が陰極線の邪魔になると、管の壁に影が付きます。これは、光線が直進し、簡単にブロックできることを示しています。

陰極線の性質は不明だったため、その性質は広く議論されました。電磁波型の波だと考える人もいれば、粒子であると主張する人もいました。

トムソンの原子モデルからの素粒子

トムソンの原子モデルは、私たちが言ったように、素粒子の存在を仮定した最初のものです。トムソンの小体は、原子の基本的な負に帯電した粒子である電子に他なりません。

これで、他の2つの基本粒子は正に帯電した陽子と非帯電中性子であることがわかりました。

しかし、これらはトムソンが彼のモデルを開発したときに発見されませんでした。原子内の正電荷はその中に分散されており、粒子がこの電荷を運ぶとは考えられておらず、現時点ではその存在の証拠はありませんでした。

このため、数年の間にラザフォードの散乱実験が陽子の発見への道を開いたので、彼のモデルは一時的な存在でした。そして中性子に関しては、ラザフォード自身が最終的に発見される数年前にその存在を提案しました。

Crookesチューブ

ウィリアムクルークス（1832〜1919年）は、陰極線の性質を注意深く研究することを目的として、1870年頃に彼の名前を冠した管を設計しました。彼は電界と磁界を追加し、光線がそれらによって偏向されることを観察しました。

陰極線管方式。出典：Knight、R.

このようにして、CrookesとThomsonを含む他の研究者は、次のことを発見しました。

1. ブラウン管内に電流が発生した
2. 光線は、負に帯電した粒子と同じように、磁場の存在によって偏向されました。
3. 陰極の作成に使用された金属はどれも陰極線の生成に同等に優れており、その挙動は材料に依存しませんでした。

これらの観察は陰極線の起源についての議論を刺激しました。それらが波であると主張した人々は、陰極線が直進することができるという事実に基づいていました。さらに、この仮説は、挿入された固体オブジェクトがチューブの壁にキャストする影を非常によく説明し、特定の状況下では、波が蛍光を引き起こす可能性があることがわかっていました。

しかし、代わりに磁場が陰極線を偏向させることがどのように可能であるかは理解されていませんでした。これは、これらの光線が粒子と見なされた場合にのみ説明でき、Thomsonが共有した仮説です。

均一な電場および磁場における荷電粒子

電荷qを持つ荷電粒子は、均一な電界Eの中央で次のような大きさの力Feを経験します。

Fe = qE

反対の電荷を持つ2つのプレート間で生成されるような均一な電界を荷電粒子が垂直に通過すると、偏向が発生し、その結果として加速が発生します。

qE = ma

a = qE / m

一方、荷電粒子が大きさBの均一な磁場の真ん中で大きさvの速度で移動する場合、粒子が受ける磁力Fmは次の強度になります。

Fm = qvB

速度と磁場のベクトルが垂直である限り。荷電粒子が均一な磁場に対して垂直である場合、それも偏向を受け、その運動は均一な円形になります。

この場合の求心加速度a _cは次のとおりです。

qvB = ma _c

次に、求心加速度は、粒子vの速度と円形経路の半径Rに関連しています。

a _c = v ² / R

したがって：

qvB = mv ² / R

円形パスの半径は次のように計算できます。

R = mv / qB

後で、これらの方程式を使用して、トムソンが電子の電荷質量関係を導き出す方法を再現します。

トムソンの実験

トムソンは、まだ知らなかったが、均一な電場を通して、陰極線、電子線を通過させた。これらのフィールドは、わずかな距離だけ離れた2つの帯電した導電性プレート間に作成されます。

彼はまた、陰極線を均一な磁場に通して、ビームへの影響を観察しました。1つのフィールドと他のフィールドでは、光線に偏向があり、トムソンはビームが荷電粒子で構成されていると正しく考えました。

これを検証するために、トムソンは陰極線でいくつかの戦略を実行しました：

1. 彼は力が相殺されるまで電場と磁場を変化させた。このようにして、陰極線は偏向を受けることなく通過した。Thomsonは、電気力と磁力を同等にすることで、ビーム内の粒子の速度を決定することができました。
2. それは電場の強度を無効にし、このようにして粒子は磁場の真ん中の円形の経路をたどりました。
3. 彼はステップ1と2の結果を組み合わせて、「体」の電荷と質量の関係を決定しました。

電子の電荷質量比

Thomsonは、陰極線ビームを構成する粒子の電荷質量比が次の値であると判断しました。

q / m = 1.758820 x 10 11 C.kg-1。

ここで、qは実際には電子である「小体」の電荷を表し、mはその質量です。Thomsonは、前のセクションで説明した手順に従って、彼が使用した方程式を使用して、ここで段階的に再現しました。

陰極線が交差した電場と磁場を通過するとき、それらは偏向せずに通過します。電界がキャンセルされると、チューブの上部に当たります（磁界は電極間の青い点で示されます）。出典：Knight、R.

ステップ1

垂直方向の電場と磁場をビームが通過するように、電気力と磁力を均等化します。

qvB = qE

ステップ2

ビーム内の粒子が偏向なしで直接通過するときに、粒子が取得する速度を決定します。

v = E / B

ステップ3

電場をキャンセルし、磁場のみを残します（たわみがあります）。

R = mv / qB

v = E / Bの場合：

R = mE / qB ²

したがって、軌道の半径を測定できます。

q / m = v / RB

まあ：

q / m = E / RB ²

次のステップ

Thomsonが次に行ったのは、異なる材料で作られたカソードを使用してq / m比を測定することでした。前述のように、すべての金属は同じ特性を持つ陰極線を放出します。

次に、トムソンはそれらの値を、電気分解によって得られ、その値が約1 x 10 ⁸ C / kg である水素イオンの比q / mの値と比較しました。電子の電荷質量比は水素イオンのそれのおよそ1750倍です。

したがって、陰極線の電荷ははるかに大きいか、水素イオンよりも質量がはるかに小さい可能性があります。水素イオンは単に陽子であり、その存在はラザフォードの散乱実験のかなり後に知られるようになった。

今日では、陽子は電子のほぼ1800倍の質量があり、電荷の大きさが等しく、電子とは反対の符号を持つことが知られています。

もう1つの重要な詳細は、トムソンの実験では、電子の電荷は直接決定されず、その質量の値も個別に決定されなかったことです。これらの値は、1906年に始まったミリカン実験によって決定されました。

トムソンモデルとダルトンモデルの違い

これら2つのモデルの根本的な違いは、ダルトンが原子は球であると考えていたことです。トムソンとは異なり、彼は正または負の電荷の存在を提案しなかった。ダルトンの場合、原子は次のようになります。

ダルトンアトム

以前に見たように、トムソンは原子は分割可能であり、その構造は正の球とその周囲の電子によって形成されていると考えていました。

モデルの欠陥と制限

当時、トムソンの原子モデルは物質の化学的挙動を非常によく説明することができました。彼はまた、ブラウン管で起こった現象を正確に説明しました。

しかし、実際にはトムソンは彼の粒子を「電子」とさえ呼んでいませんでしたが、この用語はジョージジョンストーンストーニーによって以前に造られました。トムソンは単にそれらを「小体」と呼んだ。

トムソンは当時利用可能なすべての知識を利用しましたが、彼のモデルにはいくつかの重要な制限があり、それは非常に早い段階で明らかになりました。

- 正電荷は原子全体に分布していません。ラザフォード散乱実験は、原子の正電荷が必然的に原子の小さな領域に限定されることを示しました。これは後に原子核として知られるようになりました。

- 電子は各原子内に特定の分布を持っています。電子は、有名なプリンのレーズンのように均一に分布されていませんが、その代わりに、後のモデルで明らかになった軌道に配置されています。

元素を周期表の特性と特性によって整理できるのは、原子内の電子の配置です。これはThomsonモデルの重要な制限であり、この方法で要素を順序付ける方法を説明できませんでした。

- 原子核は、質量のほとんどを含む原子核です。トムソンのモデルは、原子の質量が原子内に均一に分布していると仮定しました。しかし今日、私たちは原子の質量が核の陽子と中性子に実際に集中していることを知っています。

また、この原子のモデルでは、電子が原子内で持っていた移動のタイプを推測することができなかったことにも注意することが重要です。

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