Modelo de pudim de ameixa - Plum pudding model

O modelo de pudim de ameixa do átomo
O modelo atual da estrutura subatômica envolve um núcleo denso cercado por uma "nuvem" probabilística de elétrons

O modelo do pudim de ameixa é um dos vários modelos científicos históricos do átomo . Proposto pela primeira vez por JJ Thomson em 1904 logo após a descoberta do elétron , mas antes da descoberta do núcleo atômico , o modelo tentava explicar duas propriedades dos átomos então conhecidas: que os elétrons são partículas carregadas negativamente e que os átomos não têm carga elétrica líquida . O modelo do pudim de ameixa tem elétrons cercados por um volume de carga positiva, como "ameixas" carregadas negativamente embutidas em um " pudim " carregado positivamente .

Visão geral

Há muitos anos se sabia que os átomos contêm partículas subatômicas carregadas negativamente . Thomson os chamou de "corpúsculos" ( partículas ), mas eles eram mais comumente chamados de "elétrons", o nome que GJ Stoney cunhou para a " quantidade de unidade fundamental de eletricidade " em 1891. Também se sabia há muitos anos que os átomos têm sem carga elétrica líquida. Thomson sustentou que os átomos também devem conter alguma carga positiva que cancela a carga negativa de seus elétrons. Thomson publicou seu modelo proposto na edição de março de 1904 da Philosophical Magazine , a principal revista científica britânica da época. Na opinião de Thomson:

... os átomos dos elementos consistem em uma série de corpúsculos eletrificados negativamente encerrados em uma esfera de eletrificação positiva uniforme, ...

Com esse modelo, Thomson abandonou sua hipótese do "átomo nebular" de 1890, que se baseava na teoria dos vórtices do átomo , em que os átomos eram compostos de vórtices imateriais e sugeria que havia semelhanças entre o arranjo dos vórtices e a regularidade periódica encontrada entre os elementos químicos. Sendo um cientista astuto e prático, Thomson baseou seu modelo atômico em evidências experimentais conhecidas da época. Sua proposta de uma carga de volume positiva reflete a natureza de sua abordagem científica para a descoberta, que era propor idéias para guiar experimentos futuros.

Neste modelo, as órbitas dos elétrons eram estáveis ​​porque quando um elétron se afastava do centro da esfera carregada positivamente, ele era submetido a uma maior força líquida positiva para dentro, porque havia mais carga positiva dentro de sua órbita (ver a lei de Gauss ) Os elétrons estavam livres para girar em anéis que foram posteriormente estabilizados por interações entre os elétrons, e as medições espectroscópicas foram feitas para explicar as diferenças de energia associadas a diferentes anéis de elétrons. Thomson tentou sem sucesso remodelar seu modelo para dar conta de algumas das principais linhas espectrais conhecidas experimentalmente para vários elementos.

O modelo do pudim de ameixa guiou de maneira útil seu aluno, Ernest Rutherford , a elaborar experimentos para explorar mais a fundo a composição dos átomos. Além disso, o modelo de Thomson (junto com um modelo de anel saturniano semelhante para elétrons atômicos apresentado em 1904 por Nagaoka após o modelo de James Clerk Maxwell dos anéis de Saturno ) foram predecessores úteis do modelo de átomo mais correto de Bohr, semelhante ao sistema solar .

O apelido coloquial de "pudim de ameixa" logo foi atribuído ao modelo de Thomson, já que a distribuição de elétrons dentro de sua região do espaço carregada positivamente lembrava muitos cientistas de passas , então chamadas de "ameixas", na sobremesa comum inglesa, pudim de ameixa .

Em 1909, Hans Geiger e Ernest Marsden conduziram experimentos com finas folhas de ouro . Seu professor, Ernest Rutherford, esperava encontrar resultados consistentes com o modelo atômico de Thomson. Foi só em 1911 que Rutherford interpretou corretamente os resultados do experimento, que implicava a presença de um núcleo muito pequeno de carga positiva no centro de cada átomo de ouro. Isso levou ao desenvolvimento do modelo de Rutherford do átomo. Imediatamente após Rutherford publicar seus resultados, Antonius Van den Broek fez a proposta intuitiva de que o número atômico de um átomo é o número total de unidades de carga presentes em seu núcleo. Os experimentos de Henry Moseley em 1913 (ver a lei de Moseley ) forneceram as evidências necessárias para apoiar a proposta de Van den Broek. A carga nuclear efetiva foi considerada consistente com o número atômico (Moseley descobriu apenas uma unidade de diferença de carga). Este trabalho culminou no modelo Bohr semelhante ao sistema solar (mas limitado por quantum) do átomo no mesmo ano, no qual um núcleo contendo um número atômico de cargas positivas é cercado por um número igual de elétrons em camadas orbitais. Assim como o modelo de Thomson guiou os experimentos de Rutherford, o modelo de Bohr guiou a pesquisa de Moseley.

Problemas científicos relacionados

O modelo do pudim de ameixa com um único elétron foi usado em parte pelo físico Arthur Erich Haas em 1910 para estimar o valor numérico da constante de Planck e o raio de Bohr dos átomos de hidrogênio. O trabalho de Haas estimou esses valores em uma ordem de magnitude e precedeu o trabalho de Niels Bohr em três anos. Digno de nota, o próprio modelo de Bohr fornece previsões razoáveis ​​apenas para sistemas atômicos e iônicos com apenas um elétron efetivo.

Um problema matemático particularmente útil relacionado ao modelo do pudim de ameixa é a distribuição ótima de cargas pontuais iguais em uma esfera unitária, chamado de problema de Thomson . O problema de Thomson é uma consequência natural do modelo do pudim de ameixa na ausência de sua carga de fundo positiva uniforme.

O tratamento eletrostático clássico de elétrons confinados a pontos quânticos esféricos também é semelhante ao seu tratamento no modelo de pudim de ameixa. Neste problema clássico, o ponto quântico é modelado como uma esfera dielétrica simples (no lugar de uma esfera uniforme e carregada positivamente como no modelo do pudim de ameixa) na qual residem elétrons livres ou em excesso. As configurações eletrostáticas de elétrons N são consideradas excepcionalmente próximas às soluções encontradas no problema de Thomson com elétrons residindo no mesmo raio dentro da esfera dielétrica. Notavelmente, a distribuição plotada da energética dependente da geometria mostrou ter uma notável semelhança com a distribuição de orbitais de elétrons antecipados em átomos naturais, conforme dispostos na tabela periódica dos elementos. De grande interesse, as soluções do problema de Thomson exibem esta distribuição de energia correspondente, comparando a energia de cada solução de N-elétron com a energia de sua solução vizinha (N-1) -elétron com uma carga na origem. No entanto, quando tratado dentro de um modelo de esfera dielétrica, as características da distribuição são muito mais pronunciadas e fornecem maior fidelidade em relação aos arranjos orbitais de elétrons em átomos reais.

Referências