플럼 푸딩 모델

Plum pudding model
원자의 자두 푸딩 모델
현재의 아원자 구조의 모델은 전자의 확률론적 "구름"으로 둘러싸인 밀집된 핵을 포함한다.

매실 푸딩 모델은 원자의 여러 역사적 과학 모델 중 하나이다. 전자 발견 직후인 1904년[1] J. J. 톰슨에 의해 처음 제안되었지만, 원자핵이 발견되기 전에 모델은 알려진 원자의 두 가지 성질을 설명하려고 했다: 전자는 음전하 입자이며 원자는 순전하가 없다는 것이다. 매실 푸딩 모델은 음전하 "플럼"이 양전하 "퍼딩"에 내장된 것처럼 양전하 볼륨에 둘러싸인 전자를 가지고 있다.

개요

원자가 음전하 아원자 입자를 포함하고 있다는 것은 여러 해 동안 알려져 왔다. 톰슨은 이들을 '코퍼클(corpuscles)'(입자)이라고 불렀지만, 이들은 더 흔히 '전기(electronic)'로 불렸는데, 1891년 G. J. 스토니가 '기초 단위 전력량'을 위해 만든 이름이다.[2] 원자에 순전하가 없다는 것도 여러 해 동안 알려져 왔다. 톰슨은 원자가 전자의 음전하를 상쇄하는 어떤 양의 전하를 포함해야 한다고 주장했다.[3][4] 톰슨은 1904년 3월 영국 과학전문지 《철학잡지》에 자신이 제안한 모델을 발표했다. Thomson의 관점에서는:

원소의 원자는 다수의 음전압화된 말뭉치로 구성된다.[5] 균일한 양의 전기화의 영역에 둘러싸인...

JJ톰슨 톰슨 켈빈 경은의 신문은 1867년에 소용돌이 원자를 제안하고 쓴 그 일을 추구했다.[6]JJ톰슨은 원자의 원자들 무형의 와류의, vort의 배열 사이에 유사점을 의미했다 작곡되었다 그 맴돌이 이론에 바탕을 둔 것 그의 1890년"성운 원자"가설을 포기했다.화학 원소들 사이에서 발견되는 [7]: 44–45 얼음과 주기적인 규칙성 는 냉철하고 실용적인 과학자, 톰슨은 날의 알려진 실험적 증거에 있고, 켈빈 1년 전보다 긍정적인 영역 원자를 제안했던 사실에서 다시 켈빈 경은 뒤 그의 원자 모형을 두었다.[8][9]JJ긍정적인 볼륨의 켈빈의 모델에 기반한 톰슨의 제안에 그의 과학적 접근법의 본성을 반영한다. 미래 실험을 지도할 아이디어를 제안하는 발견

이 모델에서 전자의 궤도는 고전 역학 하에서 안정적이었다. 왜냐하면 전자가 양전하를 띤 구의 중심에서 멀어질 때, 궤도의 내부에 더 많은 양의 전하가 있었기 때문이다(가우스의 법칙 참조). 전자는 전자들 사이의 상호작용에 의해 더욱 안정화된 링에서 자유롭게 회전할 수 있었고, 분광 측정은 다른 전자 링과 관련된 에너지 차이를 설명하기 위한 것이었다. 톰슨은 여러 원소에 대해 실험적으로 알려진 주요 스펙트럼 라인의 일부를 설명하기 위해 자신의 모델을 재구성하는 데 실패했다.[10] 1897년 초에 이론 물리학자 조셉 라모르는 전자의 진동으로 자기장에서 스펙트럼 라인이 갈라지는 현상을 설명했었다.[11][12] 네이처 매거진에 실린 보어 원자의 100주년 기념행사에 따르면, 전자가 핵을 향해 내려오면서 스펙트럼 라인을 방사하고 그의 이론은 핵이자 양자라는 사실을 처음 발견한 사람은 1912년 존 윌리엄 니콜슨이었다.[13]

매실 푸딩 모델은 그의 제자 어니스트 러더포드가 원자의 구성을 더욱 탐구할 수 있는 실험을 고안하도록 유용하게 안내했다. 또한 톰슨의 모델은 조셉 라모르의 이전의 태양계 모델과 나가오카(James Weffer 맥스웰의 토성 고리 모델 이후)가 1904년에 내놓은 원자 전자에 대한 토성 고리 모델에 대한 개선이었다. 이는 태양계 모델에서 전자가 핵으로 나선 것처럼 고전적인 역학을 견딜 수 없었기 때문이다.그래서 그들은 톰슨의 모델에 찬성하지 않았다. 그러나 이전의 모든 원자 모델은 보다 정확한 1913년 태양계 보어 모형의 보다 정확한 원자 보어 모형의 이전으로서 유용했는데, 보어는 그의 논문에서 양자 원자 모형이 각운동량을 h/2로 정량화한 존 윌리엄 니콜슨의 1912년 핵 모델에서 실질적으로 빌렸다.[14][15][16][17] 보어 모델은 처음에는 나가오카 모델로 평면이었으나, 소머펠트는 1914년부터 1925년까지 현대 양자역학에 의해 이론이 전복될 때까지 타원 궤도를 도입했다.

"플럼 푸딩"이라는 구어적 별명은 곧 톰슨의 모델에서 양전하 우주 영역 내에 전자가 분포하는 것을 많은 과학자들에게 상기시켰기 때문에 영국의 흔한 디저트인 자두 푸딩에서 "플럼"이라고 불렸던 건포도를 떠올리게 했다.

1909년 한스 가이거와 어니스트 마스덴은 얇은 금판으로 실험을 했다. 그들의 교수 어니스트 러더포드는 톰슨의 원자 모델과 일치하는 결과를 찾을 것으로 기대했다. 1911년이 되어서야 러더포드는 각 금 원자 중심에 양전하의 매우 작은 핵이 존재함을 암시하는 실험 결과를 정확하게[18][19] 해석했다. 이로 인해 원자의 러더포드 모델이 개발되었다. 러더포드가 결과를 발표한 직후 안토니우스 반 덴 브로크는 원자의 원자 번호는 핵에 존재하는 총 전하 단위 수라는 직관적인 제안을 했다. 헨리 모슬리의 1913년 실험(모슬리의 법칙 참조)은 밴 덴 브로크의 제안을 뒷받침하는 데 필요한 증거를 제공했다. 유효 핵전하가 원자 번호와 일치하는 것으로 밝혀졌다(모슬리는 전하 차이 단위를 하나만 발견했다). 이 작업은 같은 해에 원자 수의 양의 전하를 포함하는 핵이 궤도 쉘에서 동일한 수의 전자로 둘러싸인 원자의 태양계(단, 양자 제한) 보어 모델에서 절정을 이루었다. 톰슨의 모델이 러더포드의 실험을 안내해 주었듯이, 보어의 모델은 모슬리의 연구를 안내해 주었다.

관련 과학 문제

단일 전자를 가진 매실 푸딩 모델은 1910년 물리학자 아서 에리히 하스가 플랑크의 상수와 수소 원자의 보어 반경의 수치적 가치를 추정하기 위해 부분적으로 사용하였다. 하스의 연구는 이 값들을 규모에 맞게 추정했고 닐스 보어의 작업보다 3년 앞서 있었다. 물론, 보어 모델 자체는 단 하나의 유효 전자만으로 원자 및 이온계에 대해서만 합리적인 예측을 제공한다.

매실 푸딩 모델과 관련된 특히 유용한 수학 문제는 톰슨 문제라 불리는 단위 구에 동일한 점 전하의 최적 분포다. 톰슨 문제는 매실 푸딩 모델의 균일한 양의 배경 전하가 없는 자연스러운 결과물이다.[20]

구형 양자점에 국한된 전자의 고전적인 정전기 처리도 매실 푸딩 모델에서의 처리와 비슷하다.[21][22] 이 고전적인 문제에서 양자점은 자유 또는 과잉의 전자가 존재하는 단순한 유전체 구(매실 푸딩 모델에서와 같이 양전하 구 대신)로 모델링된다. 정전기 N 전자 구성은 유전체 구 내에서 동일한 반지름에 존재하는 전자가 있는 톰슨 문제에서 발견되는 해법에 예외적으로 가까운 것으로 밝혀졌다. 특히 기하 의존적인 에너지 에너지의 플롯된 분포는 원소 주기율표에 배열된 자연 원자의 예상 전자 궤도 분포와 현저하게 유사한 것으로 나타났다.[22] 매우 흥미롭게도, 톰슨 문제의 해결책은 각 N-전자 솔루션의 에너지와 인접(N-1) 전자 솔루션의 에너지를 출발지에서 한 번 충전으로 비교함으로써 이러한 에너지 분배를 나타낸다. 그러나 유전체 구 모델 내에서 처리했을 때 분포의 특징은 훨씬 더 뚜렷하고 실제 원자의 전자 궤도 배열과 관련하여 더 큰 충실도를[clarification needed] 제공한다.[23]

참조

  1. ^ "Plum Pudding Model". Universe Today. 27 August 2009. Retrieved 19 December 2015.
  2. ^ O'Hara, J. G. (Mar 1975). "George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron". Notes and Records of the Royal Society of London. Royal Society. 29 (2): 265–276. doi:10.1098/rsnr.1975.0018. JSTOR 531468.
  3. ^ "Discovery of the electron and nucleus (article)". Khan Academy. Khan Academy. Retrieved 9 February 2021.
  4. ^ "4.3: The Nuclear Atom". Chemistry LibreTexts. 4 April 2016. Retrieved 9 February 2021.
  5. ^ Thomson, J. J. (March 1904). "On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure" (PDF). Philosophical Magazine. Sixth. 7 (39): 237–265. doi:10.1080/14786440409463107.
  6. ^ Vortex Atomes, By Kelvin 경(Sir William Thomson), The Process of the Royal Society of Edburgh, Vol. VI, 1867, 페이지 94-105. 필에 다시 인쇄되었다. Mag. Vol. XXXIV, 1867, 페이지 15-24.
  7. ^ Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century (Reprint ed.). Princeton University Press. ISBN 978-0691095523.
  8. ^ Atom의 모델, Michael Fowler, 버지니아 대학교 https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  9. ^ 쿠마르, 만지트, 양자 아인슈타인, 보어, 대토론회, ISBN 978-0393339888, 2008.
  10. ^ Atom의 모델, Michael Fowler, 버지니아 대학교 https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/more_atoms.html#Plum%20Pudding
  11. ^ 전자 역사: 제드 Z가 편집한 마이크 물리학의 탄생. 부크발트, 앤드루 워윅
  12. ^ Larmor, Joseph (1897), "On a Dynamical Theory of the Electric and Luminiferous Medium, Part 3, Relations with material media" , Philosophical Transactions of the Royal Society, 190: 205–300, Bibcode:1897RSPTA.190..205L, doi:10.1098/rsta.1897.0020
  13. ^ John Hilebron, "양자 원자의 길", 2013년 6월 6일, Vol 498, NATE, 27.
  14. ^ J. W. 니콜슨, 월. 아냐, 로이, 아스트르 Soc. lxxii. 페이지 49,130, 677, 693, 729(1912).
  15. ^ John William Nicholson, Russell McCormmach, 정확한 과학의 역사를 위한 기록 보관소, 제3권, 제2권(25.8.1966) 페이지 160-184(25쪽), 스프링거.
  16. ^ 보어, 닐스 (1963d), 원자와 분자의 체질에 대하여: L. 로젠펠드 (코펜하겐: Munksgaard Ltd; 뉴욕: W.A. Benjamin)
  17. ^ 쿠마르, 만지트, 양자 아인슈타인, 보어, 대토론회, ISBN 978-0393339888, 2008.
  18. ^ Angelo, Joseph A. (2004). Nuclear Technology. Greenwood Publishing. p. 110. ISBN 978-1-57356-336-9.
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  20. ^ Levin, Y.; Arenzon, J. J. (2003). "Why charges go to the Surface: A generalized Thomson Problem". Europhys. Lett. 63 (3): 415–418. arXiv:cond-mat/0302524. Bibcode:2003EL.....63..415L. doi:10.1209/epl/i2003-00546-1.
  21. ^ Bednarek, S.; Szafran, B.; Adamowski, J. (1999). "Many-electron artificial atoms". Phys. Rev. B. 59 (20): 13036–13042. Bibcode:1999PhRvB..5913036B. doi:10.1103/PhysRevB.59.13036.
  22. ^ a b LaFave, T., Jr. (2013). "Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure". J. Electrostatics. 71 (6): 1029–1035. arXiv:1403.2591. doi:10.1016/j.elstat.2013.10.001.
  23. ^ LaFave, T., Jr. (2014). "Discrete transformations in the Thomson Problem". J. Electrostatics. 72 (1): 39–43. arXiv:1403.2592. doi:10.1016/j.elstat.2013.11.007.