MODELLO ATOMICO DI THOMSON: CARATTERISTICHE, POSTULATI, PARTICELLE SUBATOMICHE - FISICO - 2026

Il modello atomico di Thomson è stato creato dal celebre fisico inglese JJ Thomson, che ha scoperto l'elettrone. Per questa scoperta e il suo lavoro sulla conduzione elettrica nei gas, è stato insignito del premio Nobel per la fisica nel 1906.

Dal suo lavoro con i raggi catodici, divenne chiaro che l'atomo non era un'entità indivisibile, come Dalton aveva postulato nel modello precedente, ma conteneva una struttura interna ben definita.

Thomson ha realizzato un modello dell'atomo basato sui risultati dei suoi esperimenti con i raggi catodici. In esso affermava che l'atomo elettricamente neutro era costituito da cariche positive e negative di uguale grandezza.

Come si chiamava il modello atomico di Thomson e perché?

Secondo Thomson, la carica positiva era distribuita in tutto l'atomo e le cariche negative erano incorporate in esso come se fossero uvetta in un budino. Da questo confronto è derivato il termine "budino all'uvetta", come era noto in modo informale il modello.

Joseph John Thomson

Sebbene l'idea di Thomson oggi sembri piuttosto primitiva, all'epoca rappresentava un contributo innovativo. Durante la breve vita del modello (dal 1904 al 1910) ebbe l'appoggio di molti scienziati, sebbene molti altri lo considerassero eresia.

Finalmente nel 1910 emersero nuove prove sulla struttura atomica e il modello di Thomson cadde rapidamente da parte. Ciò è accaduto non appena Rutherford ha pubblicato i risultati dei suoi esperimenti di scattering, che hanno rivelato l'esistenza del nucleo atomico.

Tuttavia, il modello di Thomson fu il primo a postulare l'esistenza di particelle subatomiche ei suoi risultati furono il frutto di una sperimentazione fine e rigorosa. In questo modo ha stabilito il precedente per tutte le scoperte che seguirono.

Caratteristiche e postulati del modello Thomson

Thomson è arrivato al suo modello atomico sulla base di diverse osservazioni. Il primo era che i raggi X recentemente scoperti da Roentgen erano in grado di ionizzare le molecole d'aria. Fino ad allora, l'unico modo per ionizzare era separare chimicamente gli ioni in soluzione.

Ma il fisico inglese riuscì a ionizzare con successo anche gas monoatomici come l'elio, utilizzando i raggi X. Questo lo portò a credere che la carica all'interno dell'atomo potesse essere separata, e che quindi non fosse indivisibile. Osservò anche che i raggi catodici potrebbero essere deviati da campi elettrici e magnetici.

JJ Thomson, scopritore dell'elettrone. Fonte: Lifeder.

Così Thomson ideò un modello che spiegava correttamente il fatto che l'atomo è elettricamente neutro e che i raggi catodici sono composti da particelle caricate negativamente.

Utilizzando prove sperimentali, Thomson ha caratterizzato l'atomo come segue:

-L'atomo è una sfera solida elettricamente neutra, con un raggio approssimativo di ^10-10 m.

-La carica positiva è distribuita più o meno uniformemente in tutta la sfera.

-L'atomo contiene "corpuscoli" caricati negativamente, che ne garantiscono la neutralità.

-Questi corpuscoli sono gli stessi per tutta la materia.

-Quando l'atomo è in equilibrio, ci sono n corpuscoli regolarmente disposti in anelli all'interno della sfera di carica positiva.

-La massa dell'atomo è distribuita uniformemente.

Raggi catodici

Il fascio di elettroni viene diretto dal catodo all'anodo.

Thomson condusse i suoi esperimenti usando i raggi catodici, scoperti nel 1859. I raggi catodici sono fasci di particelle caricate negativamente. Per produrli vengono utilizzati tubi di vetro sottovuoto, in cui sono posizionati due elettrodi, chiamati catodo e anodo.

Viene quindi fatta passare una corrente elettrica che riscalda il catodo, che in questo modo emette radiazione invisibile che viene diretta direttamente all'elettrodo opposto.

Per rilevare la radiazione, che altro non è che raggi catodici, la parete del tubo dietro l'anodo è ricoperta da un materiale fluorescente. Quando la radiazione arriva lì, la parete del tubo emette un'intensa luminosità.

Se un oggetto solido ostacola i raggi catodici, proietta un'ombra sulla parete del tubo. Ciò indica che i raggi viaggiano in linea retta e anche che possono essere facilmente bloccati.

La natura dei raggi catodici è stata ampiamente discussa, poiché la loro natura era sconosciuta. Alcuni pensavano che fossero onde di tipo elettromagnetico, mentre altri sostenevano che fossero particelle.

Particelle subatomiche dal modello atomico di Thomson

Il modello atomico di Thomson è, come abbiamo detto, il primo a postulare l'esistenza di particelle subatomiche. I corpuscoli di Thomson non sono altro che elettroni, le particelle fondamentali caricate negativamente dell'atomo.

Ora sappiamo che le altre due particelle fondamentali sono il protone caricato positivamente e il neutrone non caricato.

Ma questi non furono scoperti nel momento in cui Thomson sviluppò il suo modello. La carica positiva nell'atomo era distribuita in esso, non considerava nessuna particella portatrice di questa carica e al momento non c'erano prove della sua esistenza.

Per questo il suo modello ebbe un'esistenza fugace, poiché nel corso di alcuni anni gli esperimenti di scattering di Rutherford aprirono la strada alla scoperta del protone. E per quanto riguarda il neutrone, lo stesso Rutherford ne propose l'esistenza alcuni anni prima che fosse finalmente scoperto.

Tubo di Crookes

Sir William Crookes (1832-1919) progettò il tubo che porta il suo nome intorno al 1870, con l'intento di studiare attentamente la natura dei raggi catodici. Aggiunse campi elettrici e magnetici e osservò che i raggi venivano deviati da essi.

Schema del tubo catodico. Fonte: Knight, R.

In questo modo, Crookes e altri ricercatori, incluso Thomson, hanno scoperto che:

1. Una corrente elettrica è stata generata all'interno del tubo a raggi catodici
2. I raggi venivano deviati dalla presenza di campi magnetici, nello stesso modo in cui lo erano le particelle caricate negativamente.
3. Qualsiasi metallo utilizzato per realizzare il catodo era ugualmente bravo a produrre raggi catodici e il loro comportamento era indipendente dal materiale.

Queste osservazioni hanno alimentato la discussione sull'origine dei raggi catodici. Coloro che sostenevano che fossero onde, si basavano sul fatto che i raggi catodici potevano viaggiare in linea retta. Inoltre questa ipotesi spiegava molto bene l'ombra proiettata da un oggetto solido interposto sulla parete del tubo e in determinate circostanze si sapeva che le onde potevano provocare fluorescenza.

Ma invece non si è capito come fosse possibile per i campi magnetici deviare i raggi catodici. Questo potrebbe essere spiegato solo se questi raggi fossero considerati particelle, un'ipotesi condivisa da Thomson.

Particelle cariche in campi elettrici e magnetici uniformi

Una particella carica con carica q, sperimenta una forza Fe nel mezzo di un campo elettrico uniforme E, di magnitudine:

Fe = qE

Quando una particella carica attraversa perpendicolarmente un campo elettrico uniforme, come quello prodotto tra due piastre con cariche opposte, subisce una deflessione e di conseguenza un'accelerazione:

qE = ma

a = qE / m

D'altra parte, se la particella carica si muove con una velocità di magnitudine v, nel mezzo di un campo magnetico uniforme di magnitudine B, la forza magnetica Fm che sperimenta ha la seguente intensità:

Fm = qvB

Finché i vettori di velocità e campo magnetico sono perpendicolari. Quando una particella carica è perpendicolare a un campo magnetico omogeneo, subisce anche una deflessione e il suo movimento è circolare uniforme.

L'accelerazione centripeta a _c in questo caso è:

qvB = ma _c

A sua volta, l'accelerazione centripeta è correlata alla velocità della particella ve al raggio R del percorso circolare:

a _c = v ² / R

Così:

qvB = mv ² / R

Il raggio del percorso circolare può essere calcolato come segue:

R = mv / qB

Successivamente, queste equazioni verranno utilizzate per ricreare il modo in cui Thomson ha derivato la relazione carica-massa dell'elettrone.

L'esperimento di Thomson

Thomson fece passare un raggio di raggi catodici, un raggio di elettroni, anche se ancora non lo sapeva, attraverso campi elettrici uniformi. Questi campi vengono creati tra due piastre conduttive cariche separate da una piccola distanza.

Ha anche fatto passare i raggi catodici attraverso un campo magnetico uniforme, osservando l'effetto che questo aveva sul raggio. In un campo come nell'altro, c'era una deflessione dei raggi, che portò Thomson a pensare, correttamente, che il fascio fosse composto da particelle cariche.

Per verificarlo, Thomson ha eseguito diverse strategie con i raggi catodici:

1. Ha variato i campi elettrico e magnetico fino a quando le forze non si sono annullate. In questo modo i raggi catodici sono passati attraverso senza subire deflessione. Equilibrando le forze elettriche e magnetiche, Thomson è stato in grado di determinare la velocità delle particelle nel raggio.
2. Annullò l'intensità del campo elettrico, in questo modo le particelle seguirono un percorso circolare al centro del campo magnetico.
3. Ha combinato i risultati dei passaggi 1 e 2 per determinare la relazione carica-massa dei "corpuscoli".

Il rapporto massa-carica dell'elettrone

Thomson ha stabilito che il rapporto carica-massa delle particelle che compongono il fascio di raggi catodici ha il seguente valore:

q / m = 1,758820 x 10 11 C. kg-1.

Dove q rappresenta la carica del "corpuscolo", che in realtà è l'elettrone, em è la sua massa. Thomson ha seguito la procedura descritta nella sezione precedente, che ricostruiamo qui passo dopo passo, con le equazioni che ha usato.

Quando i raggi catodici passano attraverso i campi elettrici e magnetici incrociati, passano senza deviazione. Quando il campo elettrico viene annullato, colpiscono la parte superiore del tubo (il campo magnetico è indicato dai punti blu tra gli elettrodi). Fonte: Knight, R.

Passo 1

Equalizza la forza elettrica e la forza magnetica, facendo passare il raggio attraverso i campi elettrici e magnetici perpendicolari:

qvB = qE

Passo 2

Determina la velocità acquisita dalle particelle nel raggio quando passano direttamente senza deviazione:

v = E / B

Passaggio 3

Annulla il campo elettrico, lasciando solo il campo magnetico (ora c'è la deflessione):

R = mv / qB

Con v = E / B risulta:

R = mE / qB ²

Il raggio dell'orbita può essere misurato, quindi:

q / m = v / RB

Oh bene:

q / m = E / RB ²

Prossimi passi

La cosa successiva che Thomson fece fu misurare il rapporto q / m utilizzando catodi realizzati con materiali diversi. Come accennato in precedenza, tutti i metalli emettono raggi catodici con caratteristiche identiche.

Quindi Thomson ha confrontato i loro valori con quelli del rapporto q / m dello ione idrogeno, ottenuto per elettrolisi e il cui valore è di circa 1 x 10 ⁸ C / kg. Il rapporto massa-carica dell'elettrone è circa 1750 volte quello dello ione idrogeno.

Quindi i raggi catodici avevano una carica molto maggiore, o forse una massa molto inferiore a quella dello ione idrogeno. Lo ione idrogeno è semplicemente un protone, la cui esistenza divenne nota molto tempo dopo gli esperimenti di diffusione di Rutherford.

Oggi è noto che il protone è quasi 1800 volte più massiccio dell'elettrone e con una carica di uguale grandezza e segno opposto a quella dell'elettrone.

Un altro dettaglio importante è che con gli esperimenti di Thomson la carica elettrica dell'elettrone non è stata determinata direttamente, né il valore della sua massa separatamente. Questi valori sono stati determinati dagli esperimenti Millikan, iniziati nel 1906.

Differenze tra i modelli di Thomson e Dalton

La differenza fondamentale di questi due modelli è che Dalton pensava che l'atomo fosse una sfera. Contrariamente a Thomson, non ha proposto l'esistenza di accuse positive o negative. Per Dalton un atomo aveva questo aspetto:

Atomo di Dalton

Come abbiamo visto prima, Thomson pensava che l'atomo fosse divisibile e la cui struttura fosse formata da una sfera positiva ed elettroni attorno ad essa.

Difetti e limitazioni del modello

A quel tempo, il modello atomico di Thomson riuscì a spiegare molto bene il comportamento chimico delle sostanze. Ha anche spiegato accuratamente i fenomeni che si sono verificati nel tubo a raggi catodici.

Ma in realtà Thomson non chiamò nemmeno le sue particelle "elettroni", sebbene il termine fosse già stato coniato in precedenza da George Johnstone Stoney. Thomson li chiamava semplicemente "corpuscoli".

Sebbene Thomson abbia fatto uso di tutte le conoscenze a sua disposizione in quel momento, ci sono diversi importanti limiti nel suo modello, che sono diventati evidenti molto presto:

- La carica positiva non è distribuita in tutto l'atomo . Gli esperimenti di diffusione di Rutherford hanno dimostrato che la carica positiva dell'atomo è necessariamente limitata a una piccola regione dell'atomo, che in seguito divenne nota come nucleo atomico.

- Gli elettroni hanno una distribuzione specifica all'interno di ogni atomo . Gli elettroni non sono distribuiti uniformemente, come l'uvetta nel famoso budino, ma hanno invece una disposizione in orbitali che i modelli successivi hanno rivelato.

È proprio la disposizione degli elettroni all'interno dell'atomo che consente di organizzare gli elementi in base alle loro caratteristiche e proprietà nella tavola periodica. Questa era una limitazione importante del modello Thomson, che non poteva spiegare come fosse possibile ordinare gli elementi in questo modo.

- Il nucleo atomico è quello che contiene la maggior parte della massa. Il modello di Thomson postulava che la massa dell'atomo fosse distribuita uniformemente al suo interno. Ma oggi sappiamo che la massa dell'atomo è praticamente concentrata nei protoni e nei neutroni del nucleo.

È anche importante notare che questo modello dell'atomo non permetteva di inferire il tipo di movimento che gli elettroni avevano all'interno dell'atomo.

Articoli di interesse

Modello atomico di Schrödinger.

Modello atomico di De Broglie.

Il modello atomico di Chadwick.

Modello atomico di Heisenberg.

Il modello atomico di Perrin.

Il modello atomico di Dalton.

Modello atomico di Dirac Jordan.

Modello atomico di Democrito.

Il modello atomico di Bohr.

Modello atomico di Sommerfeld.

Riferimenti

1. Andriessen, M. 2001. Corso HSC. Fisica 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Università di Fisica. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
5. Wikipedia. Il modello atomico di Thomson. Estratto da: es.wikipedia.org.