Modello atomico di Perrin: caratteristiche, esperimenti, postulati

Il modello atomico di Perrin confrontava la struttura dell'atomo con un sistema solare, in cui i pianeti sarebbero le cariche negative e il Sole sarebbe una carica positiva concentrata nel centro dell'atomo. Nel 1895, l'eccezionale fisico francese dimostrò il trasferimento di cariche negative da raggi catodici alla superficie su cui esse incidono.

Con ciò è stata dimostrata la natura elettrica dei raggi catodici e ha dato luce alla natura elettrica dell'atomo, comprendendola come la più piccola e indivisibile unità di materia. Nel 1901 Jean Baptiste Perrin suggerì che l'attrazione delle cariche negative che circondano il centro (carica positiva) viene neutralizzata dalla forza di inerzia.

Questo modello fu completato e perfezionato in seguito da Ernest Rutherford, il quale affermò che tutta la carica positiva dell'atomo era situata al centro dell'atomo e che gli elettroni orbitavano intorno.

Tuttavia, questo modello aveva alcune limitazioni che non potevano essere spiegate all'epoca, e il modello fu preso come base dal fisico danese Niels Bohr per proporre il suo modello nel 1913.

Caratteristiche del modello atomico di Perrin

Le caratteristiche più straordinarie del modello atomico di Perrin sono le seguenti:

- L'atomo è costituito da una grande particella positiva al centro di esso, in cui è concentrata la maggior parte della massa atomica.

- Intorno a questa carica positiva concentrata orbitano diverse cariche negative che compensano la carica elettrica totale.

La proposta di Perrin confronta la struttura atomica con un sistema solare, in cui la carica positiva concentrata avrebbe adempiuto alla funzione del Sole e gli elettroni circostanti svolgerebbero il ruolo dei pianeti.

Perrin fu un pioniere nel suggerire la struttura discontinua dell'atomo nel 1895. Tuttavia, non insistette mai nel progettare un esperimento che potesse aiutare a dimostrare quella concezione.

esperimento

Come parte della sua formazione di dottorato, Perrin ha lavorato come assistente in fisica presso l'Ecole Normale Supérieure di Parigi, tra il 1894 e il 1897.

A quel punto, Perrin sviluppò la maggior parte delle sue ricerche nel controllo della natura dei raggi catodici; cioè, se i raggi catodici fossero particelle caricate elettricamente, o se prendessero la forma delle onde.

Raggi del catodo

L'esperimento con raggi catodici nasce quando si effettuano ricerche con i tubi di Crookes, una struttura inventata dal chimico inglese William Crookes negli anni '70 dell'Ottocento.

Il tubo di Crookes è costituito da un tubo di vetro contenente solo gas all'interno. Questa configurazione ha una parte metallica a ciascuna estremità e ogni pezzo è collegato a una sorgente di tensione esterna.

Quando il tubo viene energizzato, l'aria al suo interno viene ionizzata e, di conseguenza, diventa un conduttore di elettricità e chiude il circuito aperto tra gli elettrodi alle estremità.

All'interno del tubo i gas assumono un aspetto fluorescente, ma fino alla fine del 1890 gli scienziati non erano chiari sulla causa di questo fenomeno.

A quel tempo non si sapeva se la fluorescenza fosse dovuta alla circolazione di particelle elementari all'interno del tubo, o se i raggi prendessero la forma delle onde che li trasportavano.

Le indagini di Perrin

Nel 1895 Perrin replicò gli esperimenti sui raggi catodici collegando un tubo di scarico a un contenitore vuoto più grande.

Inoltre, Perrin ha posizionato una parete impermeabile per molecole ordinarie e ha replicato la configurazione di Crookes posizionando una gabbia di Faraday, contenuta in una camera di protezione.

Se i raggi passassero attraverso la parete impermeabile per le molecole ordinarie all'interno della gabbia di Faraday, sarebbe automaticamente dimostrato che i raggi catodici erano composti da particelle caricate elettricamente.

Metodo di verifica

Per corroborare ciò, Perrin collegò un elettrometro vicino alla parete impermeabile per misurare le cariche elettriche che si sarebbero verificate quando i raggi catodici vi colpirono.

Durante l'esecuzione dell'esperimento, è stato evidenziato che lo shock dei raggi catodici contro la parete impermeabile induceva una piccola misurazione della carica negativa nell'elettrometro.

Successivamente, Perrin dirottò il flusso dei raggi catodici forzando il sistema attraverso l'induzione di un campo elettrico e obbligò i raggi catodici a colpire l'elettrometro. Quando ciò accadeva, il contatore registrava una carica elettrica considerevolmente più alta rispetto al precedente.

Grazie agli esperimenti di Perrin, è stato dimostrato che i raggi catodici erano costituiti da particelle con cariche negative.

Più tardi, all'inizio del XX secolo, JJ Thomson scoprì formalmente l'esistenza di elettroni e la loro relazione di massa carica, basata sulla ricerca di Perrin.

postulati

Nel 1904 lo scienziato britannico JJ Thomson enunciò la sua proposta di modello atomico, noto anche come modello di plum pudding.

In questo modello, la carica positiva era intesa come massa omogenea e le cariche negative sarebbero state distribuite casualmente su detta massa positiva.

Nell'analogia, la carica positiva sarebbe la massa del budino e le cariche negative sarebbero rappresentate dalle prugne. Questo modello fu confutato da Perrin nel 1907. Nella sua proposta, Perrin indica quanto segue:

- La carica positiva non è espansa in tutta la struttura atomica. Al contrario, è concentrato nel centro dell'atomo.

- Le cariche negative non sono disperse attraverso l'atomo. Invece, sono disposti in modo ordinato attorno alla carica positiva, verso il bordo esterno dell'atomo.

limitazioni

Il modello atomico di Perrin ha due importanti restrizioni, che a posteriori sono state superate grazie ai contributi di Bohr (1913) e della fisica quantistica.

I limiti più significativi di questa proposta sono:

- Non vi è alcuna spiegazione sul motivo per cui la carica positiva rimane concentrata nel centro dell'atomo.

- La stabilità delle orbite delle cariche negative attorno al centro dell'atomo non è compresa.

Secondo le leggi elettromagnetiche di Maxwell, le cariche negative descrivono orbite a spirale attorno a cariche positive, finché non si scontrano con esse.