Mẫu nguyên tử Thomson

Ý tưởng về mẫu nguyên tử được William Thomson (người Bắc Ireland, 1824 – 1907) đề xuất lần đầu tiên vào năm 1902. Sau đó ít lâu, vào năm 1904 J.J. Thomson (Joseph John Thomson, người Anh, 1856 – 1940) đã xây dựng lý thuyết về mẫu nguyên tử dựa trên ý thưởng của William Thomson.

Theo J. Thomson quan niệm thì nguyên tử có dạng hình cầu nhiễm điện dương đều khắp với bán kính cỡ  \( {{10}^{-8}}\text{ }cm  \).

Các electron có kích thước nhỏ hơn kích thước nguyên tử rất nhiều, được phân bố theo các quy luật xác định trong khối cầu tích điện dương ấy. Mặt khác, electron có thể chuyển động trong phạm vi kích thước của nguyên tử. Về phương diện điện thì tổng trị số điện tích âm của các electron bằng và ngược dấu với khối cầu nhiễm điện dương. Do vậy nguyên tử là một hệ thống trung hòa về điện tích.

Ví dụ: Nguyên tử hiđro là nguyên tử đơn giản nhất thì khối cầu tích điện dương (+e) còn electron tích điện âm (-e). Nếu electron ở vị trí cách trung tâm nguyên tử một khoảng r, trong khi đó bán kính của nguyên tử là R lớn hơn khoảng cách r. Khi đó electron sẽ chịu tác dụng của lực tương tác tĩnh điện Coulomb từ phía khối cầu nằm trọn trong vùng giới hạn bởi bán kính r. Lực tương tác này hướng về tâm cầu có trị số bằng:

 \( F=k\frac{e.{e}’}{{{r}^{2}}}=k\frac{{{e}^{2}}}{{{r}^{2}}}=f.r  \)

Trong đó:  \( k=\frac{1}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}} \) là hệ số tỷ lệ trong hệ đơn vị SI và k = 1 trong hệ đơn vị CGS. Trị số  \( {e}’=\left| e \right| \).

Tại tâm nguyên tử (r = 0) electron ở trạng thái cân bằng ( \( F=0 \)), khi lệch khỏi vị trí cân bằng ( \( r\ne 0 \)) electron sẽ thực hiện dao động điều hòa quanh vị trí cân bằng dưới tác dụng của lực giả đàn hồi ( \( f.r  \)) với f là hệ số đàn hồi. Do đó, electron đóng vai trò như một dao động tử điều hòa khi dao động quanh vị trí cân bằng sẽ bức xạ sóng điện từ với tần số:  \( \nu =\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{f}{m}} \) với m là khối lượng của electron.

Với giá trị  \( r={{10}^{-8}}\text{ }cm  \) thì tần số bức xạ  \( \nu  \) nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

Nếu trong nguyên tử phức tạp chứa Z electron thì các vị trí cân bằng  \( {{r}_{0}} \) sẽ ứng với vị trí cân bằng giữa lực hút tĩnh điện của electron bất kỳ nào đó vào tâm của khối cầu nhiễm điện dương và lực tương tác đẩy lẫn nhau của các electron còn lại của nguyên tử.

Dựa vào mẫu nguyên tử, Thomson tính toán đối với nguyên tử hiđro bức xạ năng lượng điện từ có bước sóng trong vùng có trị số cỡ  \( \lambda =0,6\text{ }\mu m  \) thì kích thước của nguyên tử bằng:  \( R={{3.10}^{-8}}\text{ }cm  \).

Kết quả này phù hợp với kết quả cho được từ các lý thuyết khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của mẫu nguyên tử Thomson.

Ngày nay mẫu nguyên tử Thomson được xem như một biểu tượng về nguyên tử mang ý nghĩa lịch sử nhiều hơn là ý nghĩa vật lý vì nó quá đơn giản không đủ khả năng giải thích những tính chất phức tạp của quang phổ bức xạ của nguyên tử hiđro và các nguyên tử phức tạp khác.