مدل تامسون: کیک کشمشی که جهان را تکان داد
پیشینه تاریخی: جهان قبل از مدل تامسون
برای درک اهمیت کار تامسون، باید نگاهی به باورهای دانشمندان پیش از او بیندازیم. برای قرنها، از زمان فیلسوفان یونان باستان مانند دموکریت[4]، اتم به عنوان کوچکترین و تجزیهناپذیرترین ذره ماده در نظر گرفته میشد. آنها اتم را جامد، توپر و بدون ساختار داخلی میدانستند. با کشف الکترون توسط خود تامسون در سال ۱۸۹۷ (از طریق آزمایش با لولههای پرتو کاتدی[5])، این سؤال اساسی مطرح شد: «اگر اتم از ذرات کوچکتری (الکترونها) تشکیل شده است، چگونه این ذرات با بار منفی در کنار هم قرار میگیرند و اتم در کل خنثی است؟»
کشف الکترون به این معنی بود که اتم تجزیهپذیر است و خود از ذرات ریزتری ساخته شده است. این کشف، انقلابی در فیزیک به پا کرد و نیاز به یک مدل جدید برای توضیح ساختار اتم را بیش از پیش آشکار ساخت. تامسون برای پاسخ به این پرسش که «الکترونهای با بار منفی چگونه در یک اتم خنثی قرار دارند؟»، مدل خود را ارائه داد.
جزئیات مدل: اتم چگونه شبیه یک کیک کشمشی است؟
در مدل تامسون، اتم به صورت یک کره کاملاً پر و یکدست از بار الکتریکی مثبت تصور میشد. حجم این کره تقریباً برابر با حجم خود اتم بود. الکترونهای با بار منفی، به تعداد کافی (برای خنثی کردن بار مثبت کل)، درون این کره به صورت یکنواخت پخش شده بودند. این الکترونها میتوانستند در موقعیتهای تعادلی خود نوسان کنند.
مثال علمی ساده: یک توپ ژلهای شیرین و نسبتاً سفت را در نظر بگیرید که کل آن یکدست است (بار مثبت). حالا چند قطعه کوچک شکلات (الکترونها) را به طور یکنواخت داخل این توپ ژلهای قرار دهید. کل مجموعه، یک توپ کامل و یکپارچه است. اگر توپ را فشار دهید، شکلاتها جابجا میشوند ولی دوباره به موقعیت اولیه برمیگردند. این نوسان شکلاتها درون ژله، مشابه نوسان الکترونها در مدل تامسون است که میتوانست تابش الکترومغناطیسی تولید کند.
| مدل / مفهوم | توصیف ساختار اتم | نقاط قوت | نقاط ضعف |
|---|---|---|---|
| اتم گرایی باستان | ذرهای تجزیهناپذیر، جامد و توپر | ساده و قابل درک | نمیتوانست پدیدههای الکتریکی و شیمیایی را توضیح دهد. |
| مدل تامسون (کیک کشمشی) | کرهای با بار مثبت یکنواخت و الکترونهای درون آن |
اتم خنثی توضیح تابش نوری ساده اولین مدل با ساختار داخلی |
ناتوان در توضیح آزمایش پراکندگی رادرفورد وجود هسته را پیشبینی نکرد |
| مدل رادرفورد[7] (هستهدار) | هسته کوچک، متراکم و مثبت در مرکز، الکترونها در فضای اطراف | توضیح آزمایش پراکندگی، معرفی هسته | نمیتوانست پایداری اتم و طیفهای خطی[8] را توضیح دهد. |
کاربرد عملی مدل: توضیح پدیدههای نور و الکتریسیته
مدل تامسون تنها یک تصویر ذهنی نبود؛ دانشمندان از آن برای توضیح برخی پدیدههای فیزیکی استفاده کردند. مهمترین کاربرد آن، توضیح انتشار نور (تابش) از اتمها بود. بر اساس این مدل، اگر الکترونها از موقعیت تعادلی خود درون کره مثبت جابجا شوند، نیروی بازگردانندهای آنها را به جای اولیه برمیگرداند و این نوسان، باعث انتشار موج الکترومغناطیسی (نور) میشود. فرکانس این نور بستگی به فرکانس نوسان الکترون داشت.
مثال عینی: یک وزنه را که به یک فنر آویزان است در نظر بگیرید. اگر وزنه را پایین بکشید و رها کنید، شروع به نوسان میکند. این نوسان مکانیکی، مشابه نوسان الکترون در مدل تامسون است. حالا تصور کنید این نوسان به جای ایجاد صدا، نور ایجاد کند! این همان ایده اصلی بود. همچنین، این مدل میتوانست پدیدههای ساده رسانایی الکتریکی را نیز تا حدی توضیح دهد: با اعمال ولتاژ، الکترونها میتوانند درون ماده جابجا شوند و جریان برق را ایجاد کنند.
آزمون سرنوشتساز: آزمایش پراکندگی رادرفورد
اگر مدل تامسون درست بود، چه اتفاقی میافتاد وقتی ذرات پرانرژی آلفا[9] (که دو بار مثبت دارند) به یک ورقه نازک طلا شلیک میشدند؟ بر اساس محاسبات، ذرات آلفای سنگین و سریع باید با انحراف بسیار کمی از صفحه طلا عبور میکردند یا جذب میشدند. زیرا بار مثبت اتم در مدل تامسون «پخششده» و یکنواخت است و نمیتواند نیروی دافعه قوی و متمرکزی ایجاد کند تا مسیر یک ذره سریع آلفا را به شدت منحرف کند.
اما نتایج آزمایش ارنست رادرفورد در سال ۱۹۰۹ شگفتانگیز بود: اگرچه بیشتر ذرات با انحراف کم عبور کردند، اما تعداد قابل توجهی از آنها با زوایای بسیار بزرگ (حتی بیش از ۹۰ درجه) پراکنده شدند! رادرفورد این نتیجه را اینگونه تفسیر کرد: «این نتیجه تقریباً به همان اندازه غیرقابل باور است که اگر یک توپ ۱۵ اینچی به یک تکه دستمال کاغذی شلیک شود و به سمت شما برگردد!»
این مشاهده تنها با یک شرط ممکن بود: کل بار مثبت و جرم سنگین اتم، باید در حجمی بسیار کوچک و متراکم در مرکز اتم متمرکز باشد. این حجم کوچک، همان هسته اتم بود. بنابراین، آزمایش رادرفورد به طور قاطع نشان داد که مدل تامسون نادرست است و بار مثبت متمرکز (هسته) وجود دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. این مدل یک گام ضروری در مسیر تکامل دانش بود. برای اولین بار مفهوم ساختار داخلی اتم (الکترونهای جاسازی شده در بار مثبت) را مطرح کرد، اتم را به صورت یک ذره خنثی توصیف نمود و زمینیه را برای آزمایشها و نظریههای بعدی مانند کار رادرفورد فراهم آورد. در علم، بسیاری از نظریهها نهایتاً جایگزین میشوند، اما نقش مهمی در پیشبرد دانش ایفا میکنند.
این نام یک تشبیه ساده و ملموس است. کیک (که اغلب یک کیک ساده مانند کیک اسفنجی یا کیک پوند در نظر گرفته میشود) نشاندهنده حجم یکنواخت و پر از بار مثبت اتم است. کشمشهای داخل کیک نیز نمایانگر الکترونهای با بار منفی هستند که به طور یکنواخت در سرتاسر کیک پخش شدهاند. این نام به درک شهودی مدل کمک زیادی میکند.
خیر. در این مدل، الکترونها میتوانند در موقعیتهای تعادلی خود نوسان کنند. این نوسان برای توضیح تابش نور از اتمها ضروری بود. اگر الکترون بیحرکت میماند، اتم نمیتوانست نور ساطع کند. البته این مدل نمیتوانست الگوی دقیق طیفهای خطی عناصر (مانند خطوط رنگی مشخص هیدروژن) را توضیح دهد که بعدها با مدل بور[10] توضیح داده شد.
پاورقی
[1] Thomson Model – مدل پیشنهادی توسط سر جوزف جان تامسون (J.J. Thomson).
[2] Plum Pudding Model – نامی استعاری برای مدل تامسون. «Plum Pudding» یک دسر سنتی انگلیسی حاوی کشمش است.
[3] Electron – ذرهای زیراتمی با بار الکتریکی منفی که در اطراف هسته اتم قرار دارد.
[4] Democritus – فیلسوف یونانی که از نظریهپردازان اولیه اتم بود.
[5] Cathode Ray Tube – لولهای شیشهای که در آن پرتویی از الکترونها (پرتو کاتدی) تولید و مطالعه میشود.
[6] Atomic Number – تعداد پروتونها (و در اتم خنثی، الکترونها) در یک اتم.
[7] Rutherford Model – مدل اتمی هستهدار ارائه شده توسط ارنست رادرفورد پس از آزمایش پراکندگی.
[8] Line Spectra – الگوی خطوط رنگی مشخصی که هر عنصر هنگام برانگیخته شدن ساطع میکند.
[9] Alpha Particles – ذراتی متشکل از دو پروتون و دو نوترون که هسته اتم هلیم هستند و بار مثبت دارند.
[10] Bohr Model – مدل اتمی ارائه شده توسط نیلز بور که در آن الکترونها در مدارهای مشخصی به دور هسته میچرخند.
