Die Britse natuurkundige J.J. Thomson kondig die ontdekking van elektrone aan

Die Britse natuurkundige J.J. Thomson kondig die ontdekking van elektrone aan

Op 30 April 1897 het die Britse natuurkundige J.J. Thomson maak sy ontdekking bekend dat atome uit kleiner komponente bestaan. Hierdie bevinding het 'n omwenteling gemaak in die manier waarop wetenskaplikes oor die atoom gedink het en groot gevolge gehad het vir die fisika. Alhoewel Thompson hulle as 'corpuscles' genoem het, staan ​​dit vandag meer algemeen bekend as die elektron.

Die mensdom het reeds elektriese stroom ontdek en dit met groot krag ingespan, maar wetenskaplikes het nog nie die samestelling van atome waargeneem nie. Thomson, 'n hoogs gerespekteerde professor aan Cambridge, het die bestaan ​​van elektrone bepaal deur katodestrale te bestudeer. Hy het tot die gevolgtrekking gekom dat die deeltjies uit die strale 1000 keer ligter was as die ligste atoom, wat bewys dat daar iets kleiner as atome bestaan. Thomson het die samestelling van atome vergelyk met pruimpoeding, met 'n negatief gelaaide 'corpuscles' versprei in 'n positief gelaaide veld.

Die pruimpoeding -analogie is in 1910 deur Ernest Rutherford, 'n student en medewerker van Thomson's, in die laboratorium van Thomson in Cambridge, weerlê. Rutherford se gevolgtrekking dat die positiewe lading van 'n atoom in die kern daarvan geleë is, het die model van die atoom bepaal soos ons dit vandag ken. Benewens die wen van sy eie Nobelprys, het Thomson ses navorsingsassistente in diens geneem wat Nobelpryse in fisika gewen het en twee, waaronder Rutherford, wat Nobelpryse vir chemie gewen het. Sy seun, George Paget Thomson, het ook 'n Nobelprys gewen vir sy studie van elektrone. Gekombineer met sy eie navorsing, het die netwerk van atoomnavorsers wat Thomson gekweek het, aan die mensdom 'n nuwe en gedetailleerde begrip gegee van die kleinste boustene van die heelal.


Ontdekking van elektrone

Gedurende die 1880's en 90's het wetenskaplikes katode strale gesoek na die draer van die elektriese eienskappe in materie. Hulle werk het uitgeloop op die ontdekking deur die Engelse natuurkundige J.J. Thomson van die elektron in 1897. Die bestaan ​​van die elektron het getoon dat die 2000 jaar oue opvatting van die atoom as 'n homogene deeltjie verkeerd was en dat die atoom in werklikheid 'n komplekse struktuur het.

Katode-straalstudies het in 1854 begin toe Heinrich Geissler, 'n glasblaser en tegniese assistent van die Duitse natuurkundige Julius Plücker, die vakuumbuis verbeter het. Plücker ontdek katode strale in 1858 deur twee elektrode in die buis te verseël, die lug te ontruim en elektriese stroom tussen die elektrodes te dwing. Hy vind 'n groen gloed op die muur van sy glasbuis en skryf dit toe aan strale wat uit die katode kom. In 1869, met beter stofsuiers, het Plücker se leerling Johann W. Hittorf 'n skaduwee gesien gooi deur 'n voorwerp wat voor die katode geplaas is. Die skaduwee het bewys dat die katodestrale van die katode afkomstig is. Die Engelse fisikus en chemikus William Crookes het katode strale in 1879 ondersoek en gevind dat dit deur 'n magnetiese veld gebuig is in die afbuigingsrigting wat daarop dui dat dit negatief gelaaide deeltjies is. Aangesien die luminisensie nie afhang van watter gas in die vakuum was of van watter metaal die elektrodes gemaak is nie, het hy vermoed dat die strale 'n eienskap van die elektriese stroom self is. As gevolg van Crookes se werk, is katodestrale wyd bestudeer, en die buise het Crookes -buise genoem.

Alhoewel Crookes geglo het dat die deeltjies geëlektrifiseerde gelaaide deeltjies was, het sy werk nie die probleem opgelos of katode strale deeltjies of straling soortgelyk aan lig was nie. Teen die laat 1880's het die polemiek oor die aard van katodestrale die fisika -gemeenskap in twee kampe verdeel. Die meeste Franse en Britse natuurkundiges, beïnvloed deur Crookes, het gedink dat katodestrale elektries gelaaide deeltjies is omdat dit deur magnete geraak word. Die meeste Duitse natuurkundiges, aan die ander kant, het geglo dat die strale golwe is omdat dit in reguit lyne beweeg en nie deur swaartekrag beïnvloed word nie. 'N Belangrike toets van die aard van die katodestrale was hoe dit deur elektriese velde beïnvloed sou word. Heinrich Hertz, die voormelde Duitse fisikus, het berig dat die katodestrale nie afgebuig is toe dit tussen twee teenoorgestelde gelaaide plate in 'n 1892 -eksperiment beweeg het nie. In Engeland J.J. Thomson het gedink dat Hertz se vakuum moontlik foutief was en dat oorblywende gas die effek van die elektriese veld op die katodestrale kon verminder.

Thomson herhaal Hertz se eksperiment met 'n beter vakuum in 1897. Hy rig die katodestrale tussen twee parallelle aluminiumplate na die einde van 'n buis waar hulle as luminescentie op die glas waargeneem word. As die boonste aluminiumplaat negatief was, het die strale afwaarts beweeg toe die boonste plaat positief was, en die strale het opwaarts beweeg. Die afbuiging was eweredig aan die potensiaalverskil tussen die plate. Met beide magnetiese en elektriese afwykings waargeneem, was dit duidelik dat katodestrale negatief gelaaide deeltjies was. Thomson se ontdekking het die deeltjies van elektrisiteit bepaal. Gevolglik het hy sy deeltjies elektrone genoem.

Uit die omvang van die elektriese en magnetiese afbuigings, kon Thomson die verhouding tussen massa en lading vir die elektrone bereken. Hierdie verhouding was bekend vir atome uit elektrochemiese studies. Deur dit te meet en te vergelyk met die getal vir 'n atoom, het hy ontdek dat die massa van die elektron baie klein was, slegs 1/1,836 die van 'n waterstofioon. Toe wetenskaplikes besef dat 'n elektron feitlik 1 000 keer ligter is as die kleinste atoom, het hulle verstaan ​​hoe katodestrale metaalplate kan binnedring en hoe elektriese stroom deur koperdrade kan vloei. By die afleiding van die massa-tot-lading-verhouding het Thomson die elektron se snelheid bereken. Dit was 1 /10 die ligspoed, wat dus ongeveer 30 000 km (18 000 myl) per sekonde beloop. Thomson het dit beklemtoon

ons het in die katodestrale materie in 'n nuwe toestand, 'n toestand waarin die onderverdeling van materie baie verder gevoer word as in die gewone gasvormige toestand 'n toestand waarin alle materie, dit wil sê materie afkomstig van verskillende bronne soos waterstof, suurstof, ens., is van dieselfde soort, aangesien hierdie stof die stof is waaruit al die chemiese elemente opgebou is.

Die elektron was dus die eerste subatomiese deeltjie wat geïdentifiseer is, die kleinste en vinnigste stof wat destyds bekend was.

In 1909 het die Amerikaanse natuurkundige Robert Andrews Millikan die metode wat Thomson gebruik het om die elektronlading direk te meet, aansienlik verbeter. In Millikan se oliedruppel-eksperiment het hy mikroskopiese oliedruppels gemaak en gesien hoe dit in die ruimte tussen twee elektries gelaaide plate val. Sommige druppels word gelaai en kan deur 'n fyn aanpassing van die elektriese veld opgeskort word. Millikan het die gewig van die druppels geken as gevolg van hul valsnelheid toe die elektriese veld afgeskakel is. Uit die balans van die gravitasie- en elektriese kragte kon hy die lading op die druppels bepaal. Al die gemete ladings was integrale veelvoude van 'n hoeveelheid wat in hedendaagse eenhede 1,602 × 10 -19 coulomb is. Millikan se elektronlading-eksperiment was die eerste om die effek van 'n individuele subatomiese deeltjie op te spoor en te meet. Benewens die bevestiging van die deeltjies van elektrisiteit, ondersteun sy eksperiment ook vorige bepalings van die nommer van Avogadro. Avogadro se getal keer die ladingseenheid gee Faraday se konstante, die hoeveelheid lading wat nodig is om een ​​mol van 'n chemiese ioon te elektroliseer.


30 April 1897: J.J. Thomson kondig die elektron aan. Soortvan

Om hierdie artikel weer te gee, besoek My profiel en bekyk dan gestoorde verhale.

Joseph John Thomson het ons nie die naam of die struktuur of die presiese massa gegee nie, maar hy was die eerste om 'n subatomiese deeltjie te identifiseer. Reproduksie van staalgravure uit Die elektrisiën, 1896

Om hierdie artikel weer te gee, besoek My profiel en bekyk dan gestoorde verhale.

1897: Fisikus J.J. Thomson vertel 'n geskrikte wetenskaplike gehoor dat hy iets kleiner as 'n atoom, 'n deeltjie met 'n klein massa en 'n negatiewe lading ontdek het.

Sommige in die gehoor by die Royal Institution of Great Britain het Vrydagaand later aan Thomson gesê dat hulle dink dat hulle hul bene trek. "Die atoom is immers ondeelbaar. Dit is wat sy naam beteken het.

As direkteur van Cavendish Laboratory aan die Universiteit van Cambridge, het Thomson ondersoek ingestel na elektriese strome binne katodestraalbuise. Hy het opgemerk dat die strale deur 'n elektriese veld afgebuig word.

Navorsers was verbaas oor katodestrale totdat Thomson teoretiseer het dat die strale eintlik strome van klein subatomiese deeltjies was, die eerste wat bekend was. Hy noem hulle & quotcorpuscles, & quot die Latyn vir & quotsmall body. & Quot

Thomson het gedink dat sy negatief gelaaide liggaamsdele ongeveer 'n duisendste van die massa van 'n waterstofatoom uitmaak (1/1836 of 1/1837 is die aanvaarde verhouding vandag), gepaard met 'n positiewe lading elders in die atoom. Thomson was onduidelik in 1897, maar het later teoretiseer dat die negatiewe elektrone in 'n uniforme positiewe elektrifisering rondwerm.

In 'n kommentaar op die gepubliseerde weergawe van Thomson se lesing, het die Ierse fisikus George F. FitzGerald voorgestel dat die korpusse eintlik vrye elektrone is.

Ander wetenskaplikes het voorgestel dat katodestrale uit deeltjies bestaan ​​en probeer het om hul relatiewe massa en lading vas te stel. Thomson se groot bydrae was om die verhouding te skat en te erken dat die verhouding universeel was en nie van die spesifieke materiaal afhang nie. Dit het daartoe gelei dat die deeltjies een van die boustene van die atoom self was, alhoewel hy dit nie ten tyde van sy epochale lesing ten volle bewys het nie.

Thomson ontvang die Nobelprys vir 1906 en die erkenning van die groot verdienste van sy teoretiese en eksperimentele ondersoeke na die geleiding van elektrisiteit deur gasse. & Quot Hy is tot ridder in 1908.

Sy boek uit 1907 was getiteld The Corpuscular Theory of Matter, en hy het sy ontdekking & quotcorpuscles & quot tot 1913 genoem.


J.J. Thomson is in 1856 gebore in Cheetham Hill, Manchester in Engeland, uit Skotse afkoms. In 1870 studeer hy ingenieurswese aan die Universiteit van Manchester, destyds bekend as Owens College, en gaan oor na Trinity College, Cambridge in 1876. In 1880 behaal hy sy BA in wiskunde (Tweede Wrangler en 2de Smith se prys) en MA (met Adams Prys) in 1883. In 1884 word hy Cavendish -professor in fisika. Een van sy studente was Ernest Rutherford, wat hom later in die pos sou opvolg. In 1890 trou hy met Rose Elisabeth Paget, dogter van sir George Edward Paget, KCB, 'n dokter en daarna Regius professor in fisika in Cambridge. Hy het saam met haar die vader van een seun, George Paget Thomson, en een dogter, Joan Paget Thomson. Een van Thomson se grootste bydraes tot die moderne wetenskap was sy rol as 'n hoogs begaafde onderwyser, aangesien sewe van sy navorsingsassistente en sy voormelde seun Nobelpryse in fisika gewen het. Sy seun het die Nobelprys in 1937 gewen vir die bewys van die golwende eienskappe van elektrone.

Hy ontvang 'n Nobelprys in 1906, "ter erkenning van die groot verdienste van sy teoretiese en eksperimentele ondersoeke na die geleiding van elektrisiteit deur gasse." Hy is tot ridder in 1908 en aangestel in die Orde van Verdienste in 1912. In 1914 het hy die Romanes -lesing in Oxford oor "The atomic theory" gehou. In 1918 word hy meester van Trinity College, Cambridge, waar hy tot sy dood bly. Hy is op 30 Augustus 1940 oorlede en is begrawe in Westminster Abbey, naby Sir Isaac Newton.

Thomson is op 12 Junie 1884 verkies tot 'n genoot van die Royal Society en was daarna president van die Royal Society van 1915 tot 1920.

Beroep

Katode strale

Thomson het 'n reeks eksperimente uitgevoer met katodestrale en katodestraalbuise wat hom gelei het tot die ontdekking van elektrone en subatomiese deeltjies. Thomson het die katodestraalbuis in drie verskillende eksperimente gebruik.

Eerste eksperiment

In sy eerste eksperiment het hy ondersoek of die negatiewe lading met behulp van magnetisme van die katodestrale geskei kon word. Hy bou 'n katodestraalbuis wat eindig in 'n paar silinders met splete daarin. Hierdie splete is op hul beurt aan 'n elektrometer gekoppel. Thomson het gevind dat as die strale magneties gebuig is sodat hulle nie die spleet kan binnegaan nie, die elektrometer min lading aangeteken het. Thomson het tot die gevolgtrekking gekom dat die negatiewe lading onafskeidbaar is van die strale.

Tweede eksperiment

In sy tweede eksperiment het hy ondersoek of die strale deur 'n elektriese veld afgebuig kan word (iets wat kenmerkend is van gelaaide deeltjies). Vorige eksperimenteerders kon dit nie waarneem nie, maar Thomson het geglo dat hul eksperimente gebrekkig was omdat dit spoor hoeveelhede gas bevat. Thomson het 'n katodestraalbuis met 'n prakties perfekte vakuum gebou en die een kant bedek met fosforescerende verf. Thomson het bevind dat die strale inderdaad buig onder die invloed van 'n elektriese veld, in 'n rigting wat 'n negatiewe lading aandui.

Derde eksperiment

In sy derde eksperiment het Thomson die lading-tot-massa-verhouding van die katodestrale gemeet deur te meet hoeveel dit deur 'n magnetiese veld afgebuig is en hoeveel energie dit vervoer het. Hy het gevind dat die verhouding tussen lading en massa meer as duisend keer hoër is as die van 'n waterstofioon (H +), wat daarop dui dat die deeltjies baie lig of baie hoog gelaai is.

Thomson se gevolgtrekkings was vet: katodestrale is inderdaad gemaak van deeltjies wat hy 'corpuscles' genoem het, en hierdie corpuscles kom van binne die atome van die elektrodes self, wat beteken dat atome eintlik deelbaar is. Die "korpusse" wat Thomson ontdek het, word geïdentifiseer met die elektrone wat deur G. Johnstone Stoney voorgestel is.

Thomson het hom voorgestel dat die atoom bestaan ​​uit hierdie korpusse wat in 'n see van positiewe lading wemel, dit is sy pruimpoedingmodel. Hierdie model is later verkeerd bewys toe Ernest Rutherford toon dat die positiewe lading in die kern gekonsentreer is.

Thomson se ontdekking is in 1897 bekend gemaak en het 'n sensasie in wetenskaplike kringe veroorsaak, wat uiteindelik daartoe gelei het dat hy in 1906 'n Nobelprys vir Fisika ontvang het.

Isotope en massaspektrometrie

In 1913, as deel van sy ondersoek na die samestelling van kanaalstrale, het Thomson 'n stroom geïoniseerde neon deur 'n magnetiese en 'n elektriese veld gelei en die afbuiging daarvan gemeet deur 'n fotografiese plaat in sy pad te plaas. Thomson het twee liggies op die fotografiese plaat waargeneem (sien prentjie regs), wat twee verskillende afwykingsparabolas voorgestel het. Thomson het tot die gevolgtrekking gekom dat die neongas bestaan ​​uit atome van twee verskillende atoommassas (neon-20 en neon-22).

Hierdie skeiding van neon -isotope deur hul massa was die eerste voorbeeld van massaspektrometrie, wat daarna verbeter en ontwikkel is tot 'n algemene metode deur Thomson se student F. W. Aston en deur A. J. Dempster.

Ander werk

In 1906 het Thomson getoon dat waterstof slegs 'n enkele elektron per atoom het. Vorige teorieë het verskillende getalle elektrone toegelaat.


Massa-tot-laai-verhouding

Thomson het sy eksperimente verder gestoot om die massa-tot-lading-verhouding van elektrone te bepaal deur 'n bundel katodestrale deur elektriese en magnetiese velde af te lei. Hierdie meer akkurate inligting oor elektrone en#8217 -eienskappe het Thomson in 1904 in staat gestel om 'n model van die atoom op te stel wat bekend staan ​​as die 'pruimpoedingmodel'. Dit beskryf 'n sfeer van positiewe materie wat die 'corpuscles' of elektrone ingebed het, versprei oor 'n groot see met 'n positiewe lading.


Joseph John Thomson

Joseph John Thomson, beter bekend as J. J. Thomson, was 'n Britse fisikus wat eers teoreties bewys en bewys lewer het dat die atoom 'n deelbare eenheid was eerder as die basiese eenheid van materie, soos destyds algemeen geglo is.

Joseph John Thomson, beter bekend as J. J. Thomson, was 'n Britse fisikus wat eers teoreties bewys en bewys lewer dat die atoom 'n deelbare eenheid is, eerder as die basiese eenheid van materie, soos destyds algemeen geglo is. 'N Reeks eksperimente met katodestrale wat hy aan die einde van die 19de eeu uitgevoer het, het daartoe gelei dat hy die elektron, 'n negatief gelaaide atoomdeeltjie met baie min massa. Thomson ontvang die Nobelprys vir Fisika in 1906 vir sy werk om die elektriese geleidingsvermoë van verskillende gasse te ondersoek.

Die seun van 'n boekhandelaar, Thomson, is gebore op 18 Desember 1856 in Cheetham Hill, net noord van Manchester, Engeland. Toe hy 14 jaar oud was, betree hy Owens College, waar hy belangstel in eksperimentele fisika, hoewel hy aanvanklik van plan was om 'n loopbaan in ingenieurswese te volg. Thomson se pa is slegs 'n paar jaar na sy universiteitstudie oorlede, wat dit finansieel moeilik maak vir Thomson om op skool te bly. Deur die pogings van sy gesin en beurse het hy egter aan die Owens College voortgegaan tot 1876. Daarna het hy 'n wiskundebeurs na Trinity College, Cambridge, oorgeplaas. Hy het die res van sy lewe in verskillende hoedanighede aan die Universiteit van Cambridge verbonde gebly. In 1880 het Thomson 'n baccalaureusgraad in wiskunde verwerf en 'n tweede stryder geword, 'n titel wat die tweede persoon met die hoogste telling op die wiskunde-eksamen in Cambridge toegeken is.

Na die gradeplegtigheid word Thomson 'n genoot aan die Trinity College en begin werk by die Cavendish Laboratory, deel van die Cambridge Physics Department. In 1883 word hy dosent in Cambridge en die volgende jaar word hy aangestel as Cavendish -professor in eksperimentele fisika, en word hy die opvolger van Lord Rayleigh. Ook in 1884 verkies die Royal Society of London Thomson as 'n genoot. Die ontvangs van sulke aansienlike eerbewyse deur so 'n jong wetenskaplike was hoogs ongewoon, maar was grotendeels die gevolg van Thomson se belangrike vroeë werk wat James Clerk Maxwell se teorieë oor elektromagnetisme uitgebrei het. Die dekking van hierdie pogings, wat oor baie jare voortduur, verskyn in Thomson se 1892 -verhandeling Aantekeninge oor onlangse navorsing oor elektrisiteit en magnetisme.

In die vroeë 1890's het baie van Thomson se navorsing gefokus op elektriese geleiding in gasse. Tydens 'n besoek aan die Verenigde State in 1896 het hy 'n reeks lesings gehou waarin hy sy bevindings bespreek het. In 1897 is die lesings gepubliseer as Ontlading van elektrisiteit deur gasse. In dieselfde jaar, toe Thomson na Cambridge terugkeer, het hy sy belangrikste wetenskaplike ontdekking gemaak, die van die elektron (waarna hy aanvanklik verwys het as die korpuskel). Op 30 April 1897 maak Thomson sy ontdekking openbaar terwyl hy 'n lesing aan die Royal Institution gee. Die bewyse wat hy gelewer het ter ondersteuning van sy teoretiese bewerings, is ontleen aan 'n reeks innoverende eksperimente met katodestraalbuise. In een eksperiment het Thomson gepoog om magnetisme te gebruik om te sien of negatiewe lading van katodestrale geskei kan word, in 'n ander probeer hy die strale met 'n elektriese veld afbuig, en in 'n derde evalueer hy die lading-tot-massa-verhouding van die strale . Hierdie en bykomende studies wat deur Thomson en ander uitgevoer is, het vinnig gelei tot wydverspreide aanvaarding van Thomson se ontdekking.

Sodra die bestaan ​​van die elektron aanvaar is, was die volgende stap om te oorweeg hoe die deeltjies in die atoom opgeneem is. Thomson was aanvanklik 'n sterk voorstander van wat algemeen die atoommodel van pruimpoeding of die Thomson atoommodel, alhoewel baie ander voorstellings van die atoom deur sy tydgenote voorgestel is. Volgens Thomson se siening was elke atoom 'n positief gelaaide bol met elektrone versprei (soos stukkies vrugte in 'n pruimpoeding). Hy het hierdie idee gehandhaaf totdat eksperimentele navorsing en teoretiese werk aangedui het dat die atoommodel wat in 1911 deur Ernest Rutherford, 'n voormalige student van Thomson beskryf is, baie meer waarskynlik was. Die Rutherford atoommodel beskryf die struktuur van die atoom as 'n positief gelaaide kern waaromheen negatief gelaaide elektrone sirkuleer. Navorsing sedert daardie tyd het gelei tot die laat vaar van die Rutherford -model ten gunste van ander atoommodelle.

Gedurende die grootste deel van sy lewe was Thomson 'n toonaangewende wetenskaplike figuur in Brittanje. Hy beklee verskeie administratiewe poste en ontvang benewens die Nobelprys ook baie gesogte toekennings. Thomson het van 1915 tot 1920 as president van die Royal Society gedien en is deur die organisasie verskeie medaljes toegeken, waaronder die Royal Medal (1894), die Hughes -medalje (1902) en hul hoogste eer, die Copley -medalje (1914). In 1908 vereer die koninklike familie Thomson met ridderskap, en die jaar daarna word hy verkies tot president van die British Association for the Advancement of Science. Sy bydraes is verder erken met die Order of Merit (1912), verkiesing as 'n meester van Trinity College (1918) en eregrade van universiteite regoor die wêreld.

Thomson trou in 1890. Sy vrou was Rose Elisabeth Paget, dogter van sir George E. Paget, Regius professor in fisika aan Cambridge. Die egpaar het twee kinders gehad. Hul seun, George Paget Thomson, het in sy pa se voetspore gevolg en die Nobelprys in Fisika gewen vir werk met betrekking tot die elektron.


Ontdekking van die elektron het dekades en verskeie wetenskaplikes geneem

In hierdie aflewering oor die geskiedenis van die atoomteorie, bespreek fisika -professor (en my pa) Dean Zollman die ontdekking van die elektron. Alhoewel een begaafde wetenskaplike die eer gekry het, het hy hulp gekry. – Kim

Deur Dean Zollman
In die laaste dekade van die 19de eeu het ontdekkings nuwe rigtings begin in ons denke oor die samestelling van materie. Twee van hierdie ontdekkings-radioaktiwiteit en x-strale-was ietwat toevallig. Ons sal na elkeen van hulle kyk in toekomstige plasings. 'N Ander identifisering van die elektron as 'n komponent van materie - was die gevolg van noukeurige navorsing en die ontwikkeling van verbeterde tegnologieë. In hierdie pos sal ek die elektron bespreek, hoe dit ontdek is en 'n paar van die onlangse sienings of hierdie navorsing werklik 'n ontdekking was.

Die algemeen aanvaarde jaar vir die “ontdekking ” van die elektron is 1897. Hierdie ontdekking het egter sy oorsprong in navorsing en ontwikkeling wat dateer uit die eerste helfte van die 19de eeu. Omdat navorsing soos hierdie altyd op vorige werk gebou is, het ek dit moeilik om te weet hoe ver ek moet gaan. Ek het gekies om die verhaal met Heinrich Geissler (1814-1879) te begin.

Geissler was 'n instrumentmaker wat in 1857 elektriese ontladingsbuise geskep het. Hierdie buise was lang, verseëlde glas silinders en het metaalelektrode aan elke kant. Geissler verbind 'n hoogspanning oor die twee elektrodes en gebruik nog een van sy uitvindings, die vakuumpomp, om die druk in die buis te verlaag. Hy het gevind dat die gas in die buis sou gloei, met die kleur wat afhang van watter gas daarin vasgevang was. Die onderstaande foto toon 'n tekening, gepubliseer in 1869, van verskillende Geissler -buise. Hierdie instrumente herinner u moontlik aan neonligte, en dit moet. Die buise wat in neonligte gebruik word, is moderne variasies op Geissler -buise.

Deur M. Rapine (publieke domein)

Geissler het navorsing gedoen om die buise te verbeter. Hy verskaf baie buise aan ander navorsers en verkoop dit aan nie -wetenskaplikes vir vermaaklikheids- en dekoratiewe doeleindes.

Die katodestraal

Sir William Crookes soos geteken deur sir Leslie Ward in 1902 (publieke domein)

Een van die navorsers was William Crookes (1832-1919). Crookes het op die buis verbeter en baie eksperimente uitgevoer. Een van sy gevolgtrekkings was dat iets deur die negatiewe elektrode vrygestel word en in 'n reguit lyn na die positiewe kant van die buis beweeg. Wat ook al beweeg, het effens soos ligstrale gedra. Die negatiewe kant van 'n elektriese toestel is die katode genoem, en daarom het hierdie dinge bekend gestaan ​​as katodestrale en die vate is katodestraalbuise genoem. (As u verskeie foto's van Geissler- en Crookes -buise wil sien, moet u die Cathode Ray -buiswerf besoek.)

Net soos lig, kan die katodestrale 'n skaduwee werp. In 'n beroemde eksperiment. Crookes steek 'n Maltese kruis in 'n buis. Hy het gesien dat 'n skaduwee van die kruis aan die einde van die buis gegooi word. Die katodestrale het egter op sommige maniere anders as lig opgetree. Hulle kan byvoorbeeld deur 'n magnetiese veld afgebuig word.

Deur D-Kuru, gebruik onder die voorwaardes van Creative Commons BY-SA 2.0 lisensie

Twee verskillende aansigte van katodestrale het ontwikkel. Die meeste Britse natuurkundiges het tot die gevolgtrekking gekom dat die eksperimente aangedui het dat die 'strale' 'n soort deeltjie is. Crookes het voorgestel dat dit negatief gelaaide molekules is. Op die Europese vasteland, veral in Duitsland, het die ligagtige gedrag fisici tot die gevolgtrekking gelei dat die strale steurnisse in die eter was.

Elke kant het 'n paar eksperimentele bewyse om sy siening te ondersteun. Destyds was lig "bekend" as 'n golf wat die eter deurkruis het, en daar word aanvaar dat alle golwe en ander steurnisse in die eter teen dieselfde snelheid as lig beweeg. Katodestrale beweeg egter teen baie stadiger snelhede. Hierdie feit was dus 'n aanduiding dat die strale nie steurnisse in die eter was nie, maar deeltjies. Aan die deeltjie se kant is die strale ook deur 'n magnetiese veld afgebuig, wat aandui dat hulle 'n elektriese lading het.

Atome het 'korpusse'

Baie van die prominente wetenskaplikes wat by hierdie debat betrokke was, het ook werk gedoen wat verband hou met die model van die atoom as 'n draaikolk in die eter wat ons verlede maand bespreek het. Een daarvan was John Joseph Thomson (1856-1940). Verlede maand het ek genoem dat hy 'n teoretiese referaat oor draaikolk in die eter geskryf het. In 1884 word hy die Cavendish -professor in fisika aan die Universiteit van Cambridge, waar hy baie eksperimentele studies onderneem het. In 1895 is ontdek dat x-strale uit 'n Crookes-buis kom (volgende keer meer oor die ontdekking). Hierdie resultaat het Thomson se belangstelling in katodestrale gewek. Hy het die verhouding tussen die massa van 'n katodestraal en die elektriese lading daarvan gemeet. 'N Tekening en 'n prentjie van sy apparaat word hieronder getoon.

Deur J.J. Thomson (Philosophical Magazine, 44, 293 (1897, Publieke domein)

Foto deur Science Museum London/ Science and Society Picture Library (gebruik onder die voorwaardes van Creative Commons BY-SA 2-lisensie)

Op die tekening is die katode gemerk C. Dit is waar die katodestrale uitgestraal word. Die item gemerk A is die positiewe elektrode (anode) sodat die katodestrale daarheen aangetrek word. Maar daar is 'n spleet in die anode, so sommige katodestrale gaan deur die spleet en gaan voort. Voorwerp B vernou die straalbundel wat na die volgende gebied beweeg. D en E is metaalplate wat aan 'n battery gekoppel kan word. Op die tekening word nie getoon nie, maar op die foto is twee draadspoele wat gebruik kan word om 'n magnetiese veld te skep. Met al hierdie toerusting kon Thomson en sy assistente die katodestrale op of af afbuig. Koppel die positiewe kant van die battery aan D en negatief aan E en die strale beweeg op. Draai dit om en hulle beweeg af. Die magnetiese veld is 'n bietjie meer kompleks, maar op en af ​​beweging kan geskep word deur die rigting van die elektriese stroom in die spoele.

Thomson se plan was om die elektriese en magnetiese kragte te balanseer, sodat die katodestrale deur sy apparaat gaan, alhoewel hulle onderhewig was aan beide elektriese en magnetiese kragte. Uit spannings en strome kon hy die grootte van hierdie kragte bepaal. Deur algebra te doen met vergelykings wat gedurende die 19de eeu ontwikkel is, kan hy 'n waarde opstel vir die verhouding van die massa van 'n katodestraal tot die lading daarvan. Hy kon nie die lading self of die massa self bepaal nie. Sy metings het slegs 'n bepaling van die verhouding toegelaat.

Die verhouding was egter genoeg om aan te dui dat katodestrale iets heel anders was as enige bekende voorwerp. Eerstens was dit deeltjies. 'N Versteuring in die eter kon nie op hierdie manier afgewyk gewees het nie. Tweedens was die verhouding wat Thomson gemeet het, ongeveer 1000 keer anders as wat hy sou verwag het as katodestrale atome was. Hy kon egter nie met die eksperiment bepaal wat anders was nie. Die massa kon 1000 keer kleiner gewees het of die elektriese lading 1000 keer groter kon gewees het. (Thomson -metings was nie so goed nie. Vandag weet ons dat die elektron ongeveer 1,800 keer minder massief is as die waterstofkern. Maar niks naby aan hierdie klein was ooit gemeet nie, dus het dit nie saak gemaak nie.)

Thomson wed dat die massa kleiner is. Op 30 April 1897 het hy tydens 'n openbare lesing die ontdekking van 'corpuscles' aangekondig, wat volgens hom baie klein bestanddele van alle atome was. Gedurende die volgende paar jaar het hy verskeie ander eksperimente voltooi, waaronder een wat hom in staat gestel het om die massa van die liggaam te bepaal. Uiteindelik het hy 'n model van die atoom gebou wat die liggaamsdele insluit. Maar ek sal dit stoor vir 'n latere pos.

In 'n vorige pos het ek George genoem Stoney (1826–1911) wat die woord elektron in 1891 geskep het. Ander het die etiket vir die katodestraalkorpusse begin gebruik, maar Thomson nie. In sy toespraak oor die aanvaarding van die Nobelprys (1906) verwys Thomson na “ draers van negatiewe elektrisiteit as “corpuscles. ” Uiteindelik het “electron ” egter die algemeen aanvaarde naam geword.

Dus, wie verdien die krediet?

Historici en wetenskapfilosowe voer baie besprekings oor die ontdekking van die elektron. Baie eksperimente het gelei tot Thomson's. En ander het op dieselfde tyd soortgelyke eksperimente gedoen. Moet Thomson dan ook krediet verdien vir die “ontdekking ” toe dit net een stap in 'n proses in baie stappe was? Die impak van die aankondiging van Thomson was ook nie onmiddellik nie. Dit het 'n rukkie geneem om in te trek.

Sommige filosowe sal hierdie voorbeeld gebruik om te debatteer oor wat dit beteken om iets nuuts te ontdek. Ek wil nie soontoe gaan nie. Dit is duidelik dat Thomson se werk 'n belangrike stap was in ons begrip van die struktuur van materie. Dit het voortgebou op ander mense se werk, en ander het daarop voortgebou. Sommige mense het dieselfde werk op dieselfde tyd gedoen. Dit is die manier waarop wetenskap gebeur.

Volgende keer kyk ons ​​na iets wat duidelik 'n ontdekking was-x-strale.

Plaas skrifte

  • Behalwe dat hy 'n uitstekende wetenskaplike was, was Thomson ook 'n begaafde mentor. Sewe van sy navorsingsassistente en sy seun het edele pryse ontvang.
  • Die katodestraalbuis kan soos 'n esoteriese toestel lyk. Tot baie onlangs het ons egter ten minste een in ons huise gehad. Voor platskerm-televisies was die prentebuis op ons TV's 'n gevorderde weergawe van 'n katodestraalbuis. Agter was 'n toestel wat elektrone versnel het. Dit was baie soortgelyk aan dele A en C in die diagram van Thomson. Dan het magnetiese spoele soortgelyk aan die draadspoele in die toestel van Thomson kragte toegepas om die elektrone na verskillende plekke op die voorkant van die skerm te stuur. Dit is natuurlik so dat ons 'n prentjie sien wat tegnologie vereis wat eers in die 20ste eeu beskikbaar was. Maar die basiese beginsels is baie dieselfde as toe J.J. Thomson identified cathode rays as corpuscles that eventually came to be called electrons.
  • You can try a virtual version of Thomson’s experiment. This one shows a drawing of modern equipment such as students would use today. In this simulation, changing the current changes the magnetic force while changing the voltage changes the electric force. Another has the same experiment, but it is set in apparatus similar to that of Thomson. For this one, E is the electric field, and B is the magnetic field.

Images via Wikimedia Commons.

Dean Zollman is university distinguished professor of physics at Kansas State University where he has been a faculty member for more than 40 years. During his career he has received four major awards — the American Association of Physics Teachers’ Oersted Medal (2014), the National Science Foundation Director’s Award for Distinguished Teacher Scholars (2004), the Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching Doctoral University Professor of the Year (1996), and AAPT’s Robert A. Millikan Medal (1995). His present research concentrates on the teaching and learning of physics and on science teacher preparation.


Discovery of the Electron

Thomson continued to investigate the cathode rays, and he calculated the velocity of the rays by balancing the opposing deflection caused by magnet and electric fields in a cathode ray tube. By knowing the velocity of the cathode rays and using a deflection from one of the fields, he was able to determine the ratio of electric charge (e) to the mass (m) of the cathode rays. He continued this line of experimentation and introduced various gases into the cathode tube and found that the ratio of the charge to mass (e/m) didn’t depend on the type of gas in the tube or the type of metal used in the cathode. He also determined that the cathode rays were about a thousand times lighter than the value already obtained for hydrogen ions. In further investigations, he measured the charge of electricity carried by various negative ions and found it to be the same in gaseous discharge as in electrolysis.

From his work with the cathode tube and comparison with results derived from electrolysis, he was able to conclude that cathode rays were negatively charged particles, fundamental to matter, and much smaller than the smallest known atom. He called these particles 𠇌orpuscles.” It would be a few years later before the name 𠇎lectron” would come into common usage.

Thomson first announced his idea that cathode rays were corpuscles at a Friday evening meeting of the Royal Institution in late April 1897. The suggestion put forth by Thomson that the corpuscles were about one thousand times smaller than the size of the then smallest particle known, the hydrogen atom, caused a stir in the scientific community. Also, the idea that all matter was made up of these small corpuscles was a real change in the view of the inner workings of the atom. The notion of the electron, or the smallest unit of negative charge, was not new however, Thomson’s assumption that the corpuscle was a fundamental building block of the atom was radical indeed. He is credited with the discovery of the electron since he provided experimental evidence of the existence of this very small fundamental particle—of which all matter consists. His work would not go unnoticed by the world, and in 1906 he was awarded the Nobel Prize in physics "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases." Two years later, he was knighted.

Thomson&aposs Plum Pudding model of the atom.


Impact

J. J. Thomson's identification of the electron in 1897 focused new attention on questions of atomic structure. Thomson conjectured that the electron was a fundamental building block of matter or atoms, and along with his colleagues at Cambridge attempted to build upon his discovery in order to model atomic structure with theoretical speculations and extensive experimental investigations, particularly scattering experiments. They struggled to explain many observations, such as the nature of positive charge, the relation between number of electrons and atomic weight, and the mechanical stability and chemical properties of atoms. While the Cambridge scientists and others working within the framework they had established came up with models of the atom that successfully accounted for many of these phenomena, the behavior of atoms came to be explained much more effectively as physicists adopted the ideas of quantum science beginning about 1912.

Other investigations also built upon Thomson's discovery. Further research by Thomson, as well as work by Henri Becquerel (1852-1908), Lenard, Ernst Rutherford (1871-1937), and others, helped to show that the electron identified by Thomson was the same as the negatively charged particles observed in phenomena such as radioactivity and the photoelectric effect. American scientist Robert Millikan (1868-1953) improved upon Thomson's measurement of the charge on the electron by observing the motion of charged oil drops. By the 1920s, scientists were studying electrons within the framework of quantum physics, and began to explore the theory that electrons behaved not only as particles but also as waves. Several Nobel Prizes were given for early research related to the discovery and study of the electron, including one to Thomson in 1906 and to Millikan in 1923. As testimony to Thomson's influence as a teacher, seven of his research assistants also went on to win Nobel Prizes for physical research.

The impact of the discovery of the electron extended far beyond science. Throughout the nineteenth century, research into electrical phenomena had been intertwined with efforts to advance practical uses of electricity such as the telegraph and electrical power. The investigations of Thomson's era helped bring about the rapid invention and development of "wireless telegraphy," or radio, and led to the invention of television and later the development of microwave technologies such as radar. Radio arose in part from investigations into the nature of the electromagnetic "ether" or atmosphere, a subject that Thomson also addressed in his research. The invention of television is more directly indebted to the discovery of the electron, as electronic television is based on cathode ray tubes in which a beam of electrons is aimed at a screen. While Thomson's experiments and theories did not result directly in any of these inventions, his contributions advanced understanding of the nature and behavior of electrical processes and atomic structure, making such technological developments easier and faster.


Problem #5: Describe the Atom [Solved]

Describe the atom, giving a brief historical background development that led to the present description.

As said in the previous problem, an atom is the smallest part of an element that can exist chemically. But the atom is not the ultimate particle of matter it is itself made of smaller particles called sub-atomic particles and it has a structure.

The atom has been an object of discussions and studies since antiquity. Greek Philosophers asked the question: What are the ultimate constituents of matter? Among the ideas proposed at that time is Democritus’s suggestion that matter discontinuous, i.e. matter is composed of atoms (in Greek, atomos means indivisible).

But it is at the beginning of 19 th Century that real scientific research about the nature and structure of the atom started. From that time up to now, many atomic models have been proposed:

I. Dalton’s Atomic Model

In 1803, the British chemist and physicist advanced a first scientific proposition of an atomic model or atomic theory. In his theory:

  1. Elements consist of indivisible small particles called “atoms”
  2. All atoms of the element are identical. Different elements have different types of atoms
  3. An atom can neither be created nor destroyed
  4. Compounds are formed when atoms of different elements join in simple ratios to form molecules
Source: Analist Chemistry Blog

Although this model constituted the cornerstone in the study of matter, it was discovered later on that some of the statements were right (4), others half-truth (2), others wrong (1, 3).

II. Thomson’s Atomic Model


Figure 1a: Cathode Ray Experiment
Source: Study.com


Figure 1b: JJ Thomson Atomic Model (Plum pudding atomic model)
Source: classnotes.org.in

III. Rutherford’s Atomic Model

In 1911, Ernest Rutherford, New Zealand-born British physicist, a former student of J.J. Thomson, after his gold foil experiment (Fig.2), proposed a new atomic model.

Figure 2: Gold Foil Experiment
Source: padakshep.org

In that model, almost the total mass of the atom is concentrated in the nucleus, surrounded by an empty space occupied by the tiny electrons revolving around the nucleus.


Figure 3: Rutherford's Atomic Model (Planetary Atomic Model)
Source: sutori.com

But this model couldn’t explain why the electrons, negatively charged, wouldn’t be attracted by the positively charged nucleus and spiral into the nucleus. According to James C. Maxwell, “An electron that is accelerating radiates energy. As it loses energy, it spirals in to the nucleus”. Hence the atom proposed by Rutherford couldn’t be stable!

IV. Bohr’s Atomic Model

In 1913, in order to solve the problem raised by Rutherford’s atomic model, Niels Bohr introduced the concept of quantization of atomic energy levels.

Only if an electron receives the appropriate energy corresponding to the difference between two energy levels, ΔE = En2 – En1= hν, then it can jump (excited state) from n1 level to n2level. But since the excited state is not stable, the electron will return back to the non-excited state or ground state by emitting the absorbed energy.


Formation of the Absorption and Emission Spectra of Hydrogen
Source: intl.siyavula.com

You have certainly observed the emission phenomenon when you drop willingly or accidentally some crystals of salt (NaCl) in a blue flame: a very brilliant yellow flame is observed, which is the emission flame of Sodium atom.

Emission Flame of Sodium
Source: thoughtco.com


Flame Test
Source: dornsife.usc.edu

Although Bohr’s atomic model helped in explaining some phenomena and behaviors of the atom, it has its own weaknesses:

  • This model applies well for Hydrogen atom, the simplest atom of the chemical elements, made of 1 proton and 1 electron it couldn’t apply for multi-electron (more than 1 electron) species
  • It is against the Heisenberg’s Uncertainty Principle, since in this model, the electron can be localized at any point of the orbit. The uncertainty principle states that it is not possible to know with high accuracy both the position and momentum of a moving particle.

V. Quantum Mechanical Model of the Atom

This model was introduced by Erwin Schrodinger in 1926. Schrodinger’s model considers that an electron cannot be localized precisely on an orbit or point due to Heisenberg’s Uncertainty Principle. But only the probability of finding an electron in a certain region can be estimated.

In this model, an electron in an orbital is described by 4 quantum numbers:

  1. Die principal quantum number: n = 1, 2, 3, 4. gives the main or principal energy level. Traditionally those energy levels have been named by letters: K, L, M, N .
  2. Die orbital quantum number, l: with values: (n – 1), (n – 2) . 1, 0. It shows the angular moment of the electron. It gives the shape of the orbital. Traditionally the orbital quantum numbers have been given specific letters to identify them: s(l = 0), p(l = 1), d(l = 2), f(l = 3), etc.
  3. Die magnetic quantum number, (ml): ml = + l, +(l – 1), . 1 , 0, -1, . –(l -1), -l, which governs the energies of electrons in external magnetic fields. It gives the orientation of the orbital.
  4. Die spin of electron: an electron can spin around its axis, clock or anti-clockwise that quantum number, represented by the symbol s, indicates the spinning movement of the electron it can take two values: s = +1/2, -1/2, sometime represented by the signs ↑, ↓.

The first 3 quantum numbers describe an orbital in terms of the principal quantum number, its shape and its orientation.


s, p, and d Orbitals
Source: chemsite.lsrhs.net

VI. Chadwick

In May 1932, James Chadwick announced that the atomic nucleus contains a new uncharged particle, which he named the ‘neutron”. This discovery helped to explain the existence of Isotopes.

This discovery concluded more than 1 1/3 century of research on the composition and the structure of the atom, made of:

  • Nucleus: the center of the atoms where Protons(p) positively charged and Neutrons (n) with no charge are found.
  • Electrons(e), negatively charged that surround and move around the nucleus.
  • In an atom, the number of protons is equal to the number of electrons that is why an atom is neutral.

Representation of an atom:

X = Chemical symbol of the element

A = Mass number, equal to number of protons + number of neutrons

Z = Number of protons of atoomgetal, equal to the number of electrons