Model slivovega pudinga – Thomsonov zgodnji atomski model (1904)

Model slivovega pudinga — Thomsonov zgodnji atomski model (1904): napačna, a zgodovinsko ključna teorija o elektronu, pozitivnem mediju in razvoju atomske fizike.

Model slivovega pudinga je bil zgodnji (in kasneje ovržen) model atoma, ki ga je leta 1904 predlagal J. J. Thomson, kmalu po odkritju elektrona, a pred odkritjem atomskega jedra. Thomson je skušal pojasniti, kako je atom nevtralen kljub prisotnosti negativno nabitih elektronov — domneval je, da mora v atomu obstajati tudi enakomerno porazdeljen pozitivni naboj. V njegovem modelu je bil ta pozitivni naboj razporejen kot zgoščen, kontinuiren medij ali prostor, v katerem so bili "vloženi" negativno nabiti elektroni; zato so model hitro poimenovali "model slivovega pudinga", kjer so elektroni primerjali s slivami v pudingu.

Glavne značilnosti modela

• Atom je predstavljal homogen, pozitivno nabit volumen (sfero) znotraj katerega so bili razporejeni elektroni.
• Elektroni so po Thomsonovem pojmovanju tvorili statične ali počasne gibajoče se konfiguracije, ki so z elektrostatičnimi silami ohranjale ravnotežje v pozitivnem ozadju.
• Model je pojasnjeval električno nevtralnost atomov in nekatera makroskopska električna vedenja, vendar ni temeljil na kvantnih načelih, temveč na klasični elektrodinamiki.

Prednosti in omejitve

Model je imel eno pomembno prednost: ponudil je preprost, fizičen način za združitev odkritega elektrona z idejo nevtralnega atoma. Hkrati pa je imel več resnih pomanjkljivosti:

• Ni pojasnil eksperimentalnih opažanj, povezanih z razprševanjem delcev na atomih, niti ni mogel zadovoljivo razložiti spektralnih črt atomov (npr. diskretnih vrst linij v atomski emisijski spektr).
• Klasična elektrodinamika je napovedovala, da bi se pospešeni elektroni v takšni konfiguraciji hitro oddajali energijo in spiralno padali v pozitivno ozadje — torej model ni zagotavljal stabilnosti atoma dolgoročno.
• Model je predvideval razporeditev pozitivnega naboja kot kontinuum, kar ni bilo skladno z naslednjimi eksperimentalnimi rezultati, ki so nakazali koncentracijo naboja v majhnem volumnu.

Eksperimentalna ovržba in dediščina

Konec desetletja po Thomsonovem predlogu so poskusi, predvsem Geiger–Marsdenovi poskusi (znani tudi kot Rutherfordov "zlatorazpršitveni" ali "gold foil" eksperiment, izvedeni pod vodstvom E. Rutherforda okoli leta 1909), pokazali, da velik del atomske mase in pozitivnega naboja ni razpršen kot homogeni medij, temveč je skoncentriran v majhni, gosto nabiti jedrni regiji. To je vodilo do Rutherfordovega jedrnega modela atoma (1911), pri katerem imajo elektroni orbite okoli majhnega pozitivnega jedra. Kasnejši razvoj — zlasti Bohrov kvantizirani model (1913) in splošnejši razvoj kvantne mehanike — je dokončno nadomestil Thomsonov prikaz kot napačen, a zgodovinsko pomemben korak.

Model slivovega pudinga je tako pomemben predvsem kot zgodnji poskus razlage strukture atoma v prehodnem obdobju med klasično fiziko in novo kvantno paradigmo. Pokazuje, kako so eksperimentalni dokazi (odkritje elektrona, kasneje razpršitveni eksperimenti) spodbujali postopno spreminjanje pojmov o notranji zgradbi materije.

Razvoj v sodobni atomski model

Rutherfordov model

V bistvu sta Hans Geiger in Ernest Marsden leta 1909, kmalu po predlogu Thomsonovega modela, izvedla poskus s tankimi ploščicami zlata, da bi preverila Thomsonov model. Njun profesor Ernest Rutherford je pričakoval, da bodo rezultati dokazali Thomsonov prav, vendar so bili rezultati izredno drugačni od pričakovanih. Leta 1911 je Rutherford odkril, da pozitivni naboji izvirajo iz majhnih delcev, imenovanih protoni, in da so protoni v majhnem središču, imenovanem jedro, elektroni pa krožijo okoli jedra.

Bohrov model

Rutherfordov model je bil precej preprost, vendar je bil napačen, saj imajo elektroni naboj in bi jih moralo privlačiti pozitivno nabito jedro. Leta 1913 je Niels Bohr atomskemu modelu dodal "energijske ravni". Elektroni ne padajo v jedro, ker so v energijskih nivojih, za prehod na višje energijske nivoje pa je potrebna dodatna energija, za prehod na nižje energijske nivoje pa sprostitev energije. Energijskih stanj ni mogoče spreminjati, ne da bi spremenili energijo elektrona. Če elektron zadene foton (delec, ki prenaša elektromagnetno sevanje), bo pridobil dodatno energijo in prešel na višji energijski nivo (spremenil bo stanje), nato pa bo skočil nazaj na nižji energijski nivo in sprostil vsebovano energijo. Ta novi model se je imenoval Bohrov model ali Rutherford-Bohrov model. S tem je bila dodana povsem nova veja znanosti: Kvantna fizika.

Kvantni model

Leta 1926 je Erwin Schrödinger uporabil idejo, da elektroni delujejo kot valovi in delci, kar je znano kot dvojnost valov in delcev. To je atomskemu modelu in kvantni fiziki dodalo povsem novo raven. Z delcem lahko ugotovimo, kje v prostoru se nahaja, če ga opazujemo (gledamo). Pri valovanju pa je delček povsod v prostoru, zato ne morete določiti, kje točno se nahaja. To je znano kot kvantna negotovost. Pri elektronu lahko veste le verjetnost, da je na nekem mestu, saj je tako val kot delec. (Glej zgornji diagram)

Slika, ki prikazuje elektron, ki spreminja energijski nivo ter pridobiva in sprošča energijo v obliki fotonov.


To prikazuje trenutni atomski model. Črno senčenje okoli atoma prikazuje verjetnost, da se v njem nahaja elektron. Čim temnejša je, tem večja je verjetnost, da boste na tem mestu našli elektron.

Išči po črki