[2100] Models of the Atom

Title Text:J.J. Thompson won a Nobel Prize for his work in electricity in gases, but was unfairly passed over for his “An atom is plum pudding, and plum pudding is MADE of atoms! Duuuuude.” theory.

Origin:https://xkcd.com/2100/

https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/2100:_Models_of_the_Atom

原子模型

J.J.汤姆逊以气体导电的研究获得诺贝尔奖,但他的原子葡萄干布丁模型理论好像更有名。

https://xkcd.in/comic?lg=cn&id=2100

这部漫画幽默地描述了原子是什么的变化观点。这已经发生了很多,似乎我们从未真正知道我们在看什么,并且除了我们在学校教授的主流理论之外,还有许多相互竞争的理论。他列出了我们对一个原子的理解历史中的主要描述,并添加了一些幽默的描述,以寻找多样化,有争议的,以及回想起来往往是蛮干的历史。

小硬球模型

在1810年展示的第一个模型被称为“小硬球模型”。大约在这个时候,约翰道尔顿出版了他的教科书“化学哲学的新系统”,它将原子理论和化学反应的现有思想联系起来,产生了一个多重比例的组合法,提出每个化学元素都由一种独特的原子组成,并且介绍了分子量的概念。道尔顿的理论构成了今天所知的化学计量学的基础,化学计量学是化学反应的基础。由于原子在这个时候被认为是物质的最小分裂,科学界认为它们是不同大小的“硬圆球”;因此这里描述的名称。在教授和讨论不需要更先进模型所提供的细节水平的化学分子时,“小硬球”模型仍然是常用的,其中原子表示为通过代表化学键的棒连接的小而硬的圆球。

梅花布丁模型

在19世纪末20世纪初,对这些“原子”事物的研究面临着一场危机:新发现的“电子”会在哪里发生? 1904年,发现电子的物理学家J. J. Thomson有了一个想法:也许电子是小点电荷在大量正电荷中移动。这是漫画中的第二个模型“梅花布丁模型”,称之为“因为人们将带正电的质量想象成”梅花布丁“。 (标题文本也引用了Thomson,以及幽默观察,即梅花布丁本身是由原子组成的。)这种方法的问题是相同的电荷通常会排斥,导致更多的移动或不平衡电荷形成一个表面壳周围其他人,试图逃避,而不是满足于随机分布在他们之间。

小鸟模型

在原子造成的形成时代,有许多相互竞争的想法,兰德尔构成了1907年的“小鸟模型”。在这个模型中,四只小鸟围绕着小硬球,彼此之间的距离相等。其中两个是唱歌,另外两个不是,所有的鸟都在同一只鸟的对面。非唱歌的鸟类像电子和质子一样平衡歌唱的鸟类。这个模型可能会模仿为原子形状呈现的奇怪且有时不合逻辑的模型。

卢瑟福模型

最终,战斗中的初步胜利者是汤姆森的学生欧内斯特卢瑟福的模型,他从静电散射实验中发现正电荷似乎集中在原子的中心,并提出了他的卢瑟福模型,或“行星模型”,在1911年,电子轨道是一个非常集中的正电荷。这个模型经常与围绕太阳的行星轨道进行比较,电子和质子的静电吸引力使轨道成形,而不是重力。这是漫画中的第四个模特。

玻尔模型

卢瑟福模型无法解释吸收和发射光谱中的离散谱线。它也没有解释为什么电子没有螺旋进入原子核。 Niels Bohr通过提出电子只能存在于离核心不连续的“能级”中来修补模型。 1913年的“玻尔模型”,这里显示的第五个模型,是开始量子力学的一部分。物理学在小规模原子上的表现不同于我们更熟悉的大尺度。

Nunchuck模型

兰德尔讽刺地提出了一个“双节棍模型”,这是所示的第六个模型,是一包质子绕着一包电子摆动的。人们可以想象一个手柄充满了由强核力结合到由中子构成的链上的电子,再次由强核力结合到由质子构成的手柄上。较重的质子手柄作为轨道中心松散地作用,因为充满电子的相对手柄在其周围剧烈摆动,试图在其链条的束缚内解决其静电吸引力。

查德威克模型下一个改进是在核的结构。请注意,此时,没有人想过将原子核分裂成质子和中子。但很快人们就注意到存在质子和中子;发现中子的詹姆斯查德威克认为,原子中间有一个中子和质子核,还有一束电子以波希的方式绕着它旋转。这就是今天的外行常常认为的原子,是这里所示的第七个模型。

538型号

显示的第八个模型是2008年制作的“538模型”.538是一个统计分析网站,在2008年因在美国总统大选中正确预测每一场比赛并且预测每个州和奥巴马在2012年大选中的胜利而声名鹊起。与大多数其他媒体和民意调查机构不同的是,通过总结所有战斗状态的不确定性,特朗普赢得2016年大选的可能性高达29%。从那以后,人们就为所有事物制作数学模型而闻名。该模型开玩笑地表明538已经建模并且可能对原子做出了预测。饼图显示了中子,质子和电子的统计组成,分别为38%,31%和31%。这可能是具有多个同位素的大质量体的平均值,或者代表镓-69,镓的最丰富的同位素,具有31个质子,31个电子和38个中子。 FiveThirtyEight之前曾在几部xkcd漫画中被提及,其中包括477:Typewriter,500:Election,635:Locke和Demosthenes,1130:Poll Watching,1779:2017和2002:LeBron James和Stephen Curry。将538模型列为量子模型的前体是合适的,因为它是考虑不同数量的亚原子粒子在不同体积空间中的可能性的一个步骤,而不是将它们视为严格的运动粒子。漫画将这一发展推向了2008年以支持这个笑话,当时它实际上早得多了。

量子模型

但今天科学家们认可的是查德威克模型吗?没有!

电磁学理论认为,加速电荷,如电子盘旋,会失去作为电磁波发射的能量,并迅速进入原子核轨道。波尔只假定这不会发生,但他的模型无法解释原因。另一个问题[引证需要]是原子,甚至氢原子都不是平坦的 – 如果单个电子以圆形或椭圆形轨道轨道运行(电荷的圆周运动导致磁矩;奥托·斯特恩和沃尔特) Gerlach表明,与测量方向无关,角动量 – 对于某些元素 – 总是具有最大的正或负值,即不仅是半径,而且角动量被量化 – 并且从不为零。你不能’看’来自上方的原子和’看’轨道圆。它似乎总是’似乎’,好像你从侧面看起来’并且将测量全磁偶极子。斯特恩和格拉赫实际上看到了银原子电子的自旋而不是角动量,这是根据量子力学0)。

今天(即实际上自1926年,电子发现29年后),物理学家订阅量子模型,这是这里显示的第九个模型。取代具有明确位置和动量(〜速度)的电子,原子的各部分由可能的位置和动量的概率场描述。动量概率的变化通常相互抵消,因此没有电磁辐射。这是非常抽象的,在最后一个模型中,模型被假定为如此抽象,以至于它只是一个“数学包围的小硬球”模型,显示的是最后一个模型。这与我们开始的模型非常相似,即“小硬球模型”(没有数学)。

商场硬球被数学模型所包围

“数学包围的小球”的图片描绘了一个圆圈,周围有几个数字。虽然数字似乎象征着一般意义上的“周围数学”,但其中一些数字表示在实际数学方程中使用的常数或与量子模型相关的其他数字。原子轨道的形状和密度是用薛定谔方程计算的,这个方程很复杂,很难解决。由于这个原因,原子通常只是在非常简单的模拟中被精确考虑,并且形成我们日常生活的大规模的许多原子的相互作用的细节在原子水平上难以精确地理解和预测。它归结为“这些圆形的东西,我们称原子在这些近似的方式中移动,遵循这个复杂的方程式,在大多数情况下涉及太多的数字以准确建模,所以让我们使用一个不同的,经验导出的公式来描述系统的行为一般来说。”

说明

18第三(M)电子壳中的最大电子数

0.1

1/10,一个简单的小数。可以是磷,硫和氯等元素的原子半径(nm)。也是Decibel定义的一部分,有时在测量场时使用

π

圆周长与其直径的一半的数量pi。 Pi存在于许多物理方程中,通常为其双值(2π);同样在量子力学方程中存在的减少普朗克常数魔(h bar)的定义中也是如此。

173

可能是GeV /c虏顶夸克的质量。或者它可以是原子序数,超临界原子(这些超临界原子的最内层电子壳具有如此高的结合能,使得它们从真空产生电子 – 正电子对,因此不能完全电离)开始。该原子序数可以用数学项计算,不适合典型的基本物理理论。或者,一个拼写错误,它应该是137,指的是精细结构常数,其值约为1/137。有趣的是,超临界原子的开始恰好是精细结构常数137,如果假设原子核尺寸为零,并且在这种原子的玻尔模型中,最内层电子的速度将达到光速度。

√2

一个非理性的常数,两个的平方根,经常出现

4I

一个简单的复数; i是-1的主平方根,4i是-16的主平方根

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