原子構造：定義、理論、モデルおよび開発
Atomを理解する
原子は物質の基本単位であり、原子核とそれを取り巻く負に帯電した電子の雲で構成されています。 原子核は、正に帯電した陽子と中性に帯電した中性子で構成されています（中性子を持たない軽水素1原子の原子核を除く）。 原子内の電子は、電磁力によって原子核に結合します。 このような原子のグループは、互いに結合して分子を形成することもできます。
同じ数の陽子と電子を含む原子は中性ですが、異なる数の陽子と電子を含む原子は正または負であり、イオンと呼ばれます。 原子は、原子核内の陽子と中性子の数に従ってグループ化されます。 原子内の陽子の数が原子の化学元素を決定し、中性子の数がその元素の同位体を決定します。
アトムという用語はギリシャ語（ἄτομος/átomos、-τεμνω）に由来し、不可分または不可分を意味します。 不可分な構成要素としての原子の概念は、インドとギリシャの哲学者によって最初に提案されました。
17世紀と18世紀に、化学者は、特定の物質が化学的方法を使用してさらに分割できないことを示すことによって、このアイデアの基礎を築きました。 19世紀後半から20世紀初頭にかけて、物理学者は原子内の構造と亜原子成分を発見することに成功し、「原子」が不可分であることを証明しました。 物理学者が使用した量子力学の原理は、後に原子のモデル化に成功しました。[1]
日常の観測では、原子はそれに比例して質量が小さい比較的非常に小さな物体と見なされます。
原子は、原子間力顕微鏡などの特別な装置を使用してのみ監視できます。 原子質量の99.9％以上が原子核に集中しており[注1]、陽子と中性子はほぼ同じ質量を持っています。 各元素には、放射性崩壊を受ける可能性のある不安定な原子核を持つ同位体が少なくとも1つあります。 これは核変換を引き起こす可能性があり、核内の陽子と中性子の数を変化させます。[2] 原子に結合した電子には、いくつかのエネルギー準位が含まれています。 または軌道。これらは安定しており、エネルギー差に対応する光子を吸収または放出することにより、これらのレベル間を遷移できます。 レベル。 原子内の電子は、元素の化学的性質を決定し、原子の磁気的性質に影響を与えます。
原子理論
ジョン・ドルトンの原子理論
1803年、ジョン・ドルトンは原子についての意見を発表しました。 ダルトンの原子理論は、質量保存の法則（ラヴォワジエの法則）と固定配置の法則（プラウツの法則）の2つの法則に基づいています。 Lavosierは、「反応前の物質の総質量は、常に反応生成物の総質量に等しくなる」と述べています。 プラウツは「化合物中の元素の質量の比率は常に一定である」と述べています。 これらの2つの法則から、ダルトンは原子についての彼の意見を次のように提唱しました。
- 原子は、もはや分割できない物質の最小部分です
- 原子は非常に小さな固体の球体として説明され、要素は異なる要素に対して同一で異なる原子を持っています。
- 原子は結合して、単純な整数比で化合物を形成します。 たとえば、水は水素原子と酸素原子で構成されています
- 化学反応とは、原子の分離、結合、または再配列であるため、原子を作成または破壊することはできません。
弱点：ダルトンの理論は、複合溶液と電流の伝導率との関係を説明していません。
原子理論J。 J。 トムソン
改良された陰極管のウィリアム・クルーカーズの発明に基づいて、J.J。 トムソンは陰極線についてもっと研究しました 陰極線と陰極線の間に配置された羽根を回転させることができるため、陰極線が粒子であることが確認できます。 アノード。 この実験の結果から、トムソンは、陰極線は負の電荷を持つ原子（亜原子粒子）を構成する粒子であり、以下では電子と呼ばれると述べました。
電子は負の電荷を持っているため、原子は中性粒子です。したがって、電子の負の電荷を中和するには、正の電荷を持つ別の粒子が必要です。 これらの発見から、トムソンはダルトンの原子理論の弱点を修正し、トムソンの原子理論として知られる彼の原子理論を進歩させました。 それは次のように述べています：
「原子は正の電荷を持つ固体のボールであり、その中には電子の負の電荷が散乱しています」
この原子モデルは、剥がされたグアバとして説明することができます。 グアバの種は、グアバの肉の固い球体に均等に分布している電子を表します。これは、トムソンの原子モデルでは、固い正の球に類似しています。 トムソンの原子モデルは次のように説明できます。
弱点：トムソンの原子モデルの弱点は、原子球内の正電荷と負電荷の配置を説明できないことです。
ラザフォードの原子理論
ラザフォードと彼の学生の2人（ハンスガイガーとアーナーズマスレーデン）は、金の薄いプレート上でアルファ散乱（）として知られる実験を行いました。 以前は、アルファ粒子が発見されました。これは、直線で移動する正に帯電した粒子であり、薄い紙に浸透できるように大きな浸透力を備えています。 実験は実際にはトムソンの意見、すなわち原子が アルファ粒子が当たると反射する、または そらされた。 彼らの観察から、アルファ粒子が非常に薄い金メッキで発射されると、ほとんどのアルファ粒子が通過することが発見されました。 （1°未満の角度偏差があります）が、マーズデンの観察から、20,000個のアルファ粒子に1個が90°の角度でさえ曲がるという事実が得られました もっと。
発生する症状に基づいて、次の結論が得られます。
- ほとんどすべてのアルファ粒子が通過するため、原子は固体のボールではありません
- 金メッキが金原子の層と見なされる場合、金原子には正に帯電した非常に小さな粒子があります。
- これらの粒子は、20,000個に1個のアルファ粒子が偏向するという事実に基づいて、原子核を構成する粒子です。 1：20,000の比率が直径の比率である場合、原子核のサイズは原子全体のサイズよりも約10,000小さくなります。
これらの実験から得られた事実に基づいて、ラザフォードは原子モデルとして知られている原子のモデルを提案しました 原子は電子に囲まれた非常に小さい正に帯電した原子核で構成されていると述べたラザフォード 負に帯電しています。 ラザフォードは、原子の核の中に、正の粒子を結合して互いに反発しないように機能する中性粒子があるのではないかと疑った。
弱点：電子が原子核に落ちない理由を説明できません。
ボーアの原子理論
1913年、デンマークの物理学者ニールスボーアは、水素原子のスペクトルに関する実験を通じて、ラザフォード原子の故障を修正しました。 この実験は、原子核の周りの領域を占める電子の状態の概要を提供することに成功しました。 ボーアの水素原子の説明には、ラザフォードの古典理論とプランクの量子論の組み合わせが含まれ、次のように4つの仮定で表されます。
- 水素原子の1つの電子に許可される軌道の特定のセットのみがあります。 この軌道は、電子の定常運動（安定）として知られており、原子核の周りの円形の経路です。
- 電子が静止軌道にある限り、電子のエネルギーは一定のままであるため、放射線の形のエネルギーは放出または吸収されません。
- 電子は、ある静止軌道から別の静止軌道にのみ移動できます。 この遷移には、一定量のエネルギーが含まれ、その大きさはプランクの方程式、ΔE= hvに対応します。
- 許可された静止経路には、特定の特性、特に角運動量と呼ばれる特性を持つ量があります。 角運動量の大きさは、h / 2∏またはnh / 2∏の倍数です。ここで、nは整数、hはプランク定数です。
原子のボーアモデルによれば、電子は電子殻またはエネルギー準位と呼ばれる特定の軌道で原子核を周回します。 最も低いエネルギー準位は最も内側の電子殻であり、それが多く出てくるほど、殻の数が多くなり、エネルギー準位が高くなります。
弱点：この原子モデルでは、多電子原子の色スペクトルを説明できません。
現代の原子理論
量子力学的原子モデルは、Erwin Schrodinger（1926）によって開発されました。ErwinSchrodingerの前は、ドイツの専門家Werner Heisenberg 不確定性原理として知られる量子力学の理論、すなわち「位置と運動量を決定することは不可能である」を開発しました 同時に注意深く物体を測定できるのは、原子核から特定の距離にある電子を見つける確率です。 原子"。
電子を獲得する可能性のある原子核の周りの空間の領域は、軌道と呼ばれます。 軌道の形状とエネルギー準位は、ErwinSchrodingerによって作成されました。 エルヴィン・シュレディンガーは方程式を解いて波動関数を取得し、3次元で電子を見つける可能性の限界を説明しました。
原子モデルと構造構造
原子の概念は、原子がの一部であると述べたデモクリトスによって5世紀初頭に提唱されました 当時の科学者への質問にさらに分割できない最小の資料 それ。 アリストテレスやプラトンなどの一部の科学者は、この概念を受け入れることができませんでした。
その後の開発では、いくつかの科学者（化学者と物理学者）がこれに関連する実験を行いました。 ジョン・ドルトン、J.Jトムソン、ラザフォード、ニールス・ボーアからエルヴィン・シュレディンガーのような物理学者まで アルバートアインシュタインと他の何人かの科学者が改善するための研究を続けるまででさえ アトミックコンセプト。 いつ
原子の発見の歴史を通して、5つの有名な原子理論とモデルがあります。
ジョン・ドルトンの原子構造とモデル
1808年、ジョン・ドルトン（英国の科学者）が原子についての意見を表明しました。 ダルトンは、私たちが原子と呼ぶ不可分な物質を構成する何かを考案しました。 ダルトンの原子の概念は、デモクリトスの概念よりもはるかに詳細で具体的です。 ダルトンの研究の結果は、特に原子と元素の分野で、化学的進歩の時代の始まりを示しました。
ダルトンの原子理論は、質量保存の法則（ラヴォワジエの法則）と一定の配置の法則の2つの法則に基づいています。 （プラウトの法則）ダルトンの原子理論の基礎となる物質の性質に関する仮説は、次のように要約できます。 以下：
- 元素は、原子と呼ばれる非常に小さな粒子で構成されています。 酸素などの元素には、サイズ、質量、化学的性質が同じ原子があります。 各元素は異なる原子で構成されています。たとえば、ナトリウム（Na）元素を構成する原子は、酸素（O）元素を構成する原子とは異なります。 ダルトンは原子の構造や配置を説明していませんでした、彼は原子の実際の構造が何であるかを知りませんでしたが ダルトンは、異なる元素の特性に違いがあることに気づいたので、ダルトンはそれらを構成する原子がそれらを構成すると結論付けました 違います。
- 化合物は、単純な整数または分数の比率の2つ以上の元素の原子で構成されます。 化合物の形成には、適切な元素の原子だけでなく、これらの原子の特定の数も必要です。 このアイデアは、一定の比率の「サンプル」に関するプルーストの法則を拡張したものです。 同じ化合物からの異なる物質は、常に同じ質量比の元素で構成されています 同じ"。 たとえば、複合水（H2O）は、2：1の比率の2つのH原子と1つのO原子で構成されます。
この比率は、さまざまな場所から汲み上げた水で常に同じになります。 一定の比較の法則に加えて、ダルトンの仮説は、「2つの要素を組み合わせて形成できるかどうか」という多重比較の法則もサポートしています。 複数の化合物の場合、2番目の要素の固定質量を持つ最初の要素の質量は整数として比例します。 小さい"。 たとえば、炭素原子（C）は、酸素原子（O）と化合物を形成してCOとCO2になり、酸素とCOおよびCO2の比率が異なります（CO：CO2は1：2）。 - 原子は作成も破壊もできません。 化学反応は、単に原子の分裂、結合、または再配列です。 この仮説は、「物質は作成も破壊もできない」と述べている質量保存の法則に沿ったものです。 物質は化学反応では変化しない原子で構成されているため、原子も保存する必要があります。
上記の原子に関するダルトンの3つの理論を明確にするために、以下の画像で説明することができます。
J.Jトムソンの原子構造とモデル
1980年代に、何人かの科学者が放射線、すなわち波の形で宇宙を通るエネルギーの放出と伝播を研究しました。 放射線を研究するために使用されるツールの1つは、空気が吸い出されるガラス管である陰極管です。 このチューブには、高電圧源に接続された2つのプレートがあります。 正電荷を持つプレートはアノードと呼ばれ、負電荷を持つプレートはアノードと呼ばれます
カソードと呼ばれます。
1897年、JJトムソンは英国の物理学者であり、彼の研究でブラウン管を使用していました。 トムソンは、帯電したプレートを陰極管の外側に置き、光が負のプレートで反射され、正に帯電したプレートに引き付けられることを発見しました。 したがって、電子と呼ばれる原子には負の電荷があると結論付けられます。
この発見から、原子には負に帯電しているが電気的に帯電している電子が含まれていることは明らかです。 中性、それを作るために電子の数に等しい正電荷がなければなりません 中性。 次にトムソンは、「原子は、電子が付着した均一で正に帯電した物質として想像できる」という原子の見方を提唱しました。
レーズンパン原子モデルとして知られるようになりました。
この研究から、トムソンはまた、電荷の比率が1.7584 x1011クーロン/キログラムであることを決定しました。 トムソンの実験は、原子がもはや最小の不可分なものではないように、電子の発見によって原子の概念に発展をもたらしました。 その開発では、ロバートA。 Milikanは、電子の電荷が1.6022 x10-19クーロンであることを発見しました。
アーネスト・ラザフォードの原子構造とモデル
1910年、ニュージーランドの物理学者アーネスト・ラザフォードとハンス・ガイガーと彼の学生アーネスト・マースデン Becqruelによって発見されたアルファ粒子を使用して実験を行い、 原子。 ラザフォードとチームは、正に帯電した放射性アルファ（パルチケル）粒子のターゲットプレートとして、金やその他の金属の薄いシートを使用しました。 彼らは、ほとんどの粒子が曲がらずに、またはほとんど曲がらずにシートに浸透することを発見しました。 かなりの角度で偏向しているものもあれば、反射して入射に向かって戻る粒子もあります。 この実験についてより明確に下の画像で見ることができます
その後、この正電荷は陽子と呼ばれ、後にその質量が電子の質量の約1840倍である1.67262 x10-24グラムであることがわかりました。 原子半径のサイズは±100pmですが、原子核の半径は±5 x 10-3pmです。
ラザフォードの原子構造のモデルは、問題を未解決のままにします。 水素原子には1つの陽子があり、ヘリウムには2つの陽子があることが知られています。水素：ヘリウムの質量比は1：2である必要がありますが、実際には質量比は1：4です。 したがって、ラザフォードと彼のチームは、中性子と呼ばれる中性粒子が原子核にあると仮定しました。
以下は、ラザフォードが仮定した原子モデルの構造です。
原子構造とモデル ボーア
ボーアの発見についてさらに議論する前に、ボーアの発見の根底にある量子論について少し話しましょう。 1900年、マックスプランクは、物質がエネルギーを放出および吸収するのは、彼が量子と呼んだ特定の離散量でのみであることを紹介しました。 プランクは、電磁放射の形で原子によって放出または吸収されることができるエネルギーの最小量に量子名を付けました。 量子のエネルギーEは次のように定式化されます。
E = hv
ここで、hはプランク定数（6.67 x 10-34 J.s）です。 プランクの量子論によれば、エネルギーは常にhvの倍数で放出されます。たとえば、hv、2 hv、3hvなどです。 1905年、アルバートアインシュタインはプランクの光の量子概念を開発しました。 彼はいくつかの実験を行い、特定の金属の表面から放出された電子が、しきい値周波数と呼ばれる特定の最小周波数の光で照らされていることを発見しました。 アインシュタインは後に、これらの光線は光子と呼ばれることを示唆しました。 すべての光子はエネルギーを持っている必要があります
E = hv
光子は、そのエネルギーが金属内の電子の結合エネルギーよりも大きい場合にのみ、軌道から電子を取り除くことができます。 それが定式化できるように
hv = EK + EB EK = hv−EB
ここで、EKは放出された電子の運動エネルギー、EBは金属内の電子の結合エネルギーです。 光子の周波数またはエネルギーが大きいほど、放出される電子の運動エネルギーが大きくなります。
1913年、デンマークの物理学者であるニールスボーアは、太陽系の原子モデルに非常に興味を持ち、疑問を呈しました。 問題は、電子軌道のサイズとエネルギーを決定するものは何かということです。 電子軌道が電磁放射を生成しない理由。 上記の質問に答えるために、ボーアはプランクとアインシュタインによって提案された量子概念をラザフォードの原子モデルと組み合わせて、原子の最も外側の電子を説明しました。 ボーアの理論は次のように説明できます。
- 電子は、原子殻、K、L、Mなどとして知られている特定の円軌道で原子核の周りを回転します。
- 電子が軌道上にある限り、エネルギーを放出せず、定常状態にあると言われます。 静止軌道における電子の存在は、原子核の静電引力によって維持され、電子運動の遠心力によってバランスが取られます。
- 電子は、軌道間のエネルギー差に対応する大きさのエネルギーを吸収または放出することにより、ある軌道から別の軌道に移動できます。 エネルギーが関係しています。 電子がより高いエネルギーで軌道に移動する場合、電子は十分なエネルギーを吸収する必要があり、ベルピンダに移動する場合はその逆になります。
低エネルギーの電子を持つ軌道は、エネルギーを放出する必要があります。 - 原子は、その電子が特定の軌道を占めて総エネルギーが最小になる場合、基底レベルにあると言われます。 電子が基底レベルのエネルギーよりも総エネルギーが高い軌道にある場合、原子は励起状態にあると言われます。 低い状態の原子は、励起状態よりも安定しています。
- 各軌道の電子には特定のエネルギーがあり、軌道が大きいほどエネルギーが大きくなります。 このエネルギーは、電子の量子化された角運動量で表される許容値で量子化されます。n= h /2π
以下は、ボーアによって仮定された原子構造モデルの図解です。
量子力学の原子構造とモデル
ボーアによって提案された原子モデルは、水素のスペクトルを決定し、光子放出の理解可能なメカニズムを生み出すことに成功しました。 ただし、このモデルでは、1dabを超える電子を持つ原子のスペクトルを説明することはできません。 フィールドが与えられたときに水素発光スペクトルに追加の線が現れることを説明できません 磁気。
量子力学的原子モデルは、Erwin Schrodinger（1926）によって開発されました。 エルヴィン・シュレディンガーの前に、ドイツの専門家ヴェルナー・ハイゼンベルクは、不確定性原理として知られる量子力学の理論を開発しました。 物体の位置と運動量を同時に注意深く決定します。決定できるのは、原子核から特定の距離にある電子を見つける確率です。 原子"。
電子を獲得する可能性のある原子核の周りの空間の領域は、軌道と呼ばれます。 軌道の形状とエネルギー準位は、ErwinSchrodingerによって作成されました。 エルヴィン・シュレディンガーは方程式を解いて波動関数を取得し、3次元で電子を見つける可能性の限界を説明しました。 この電子軌道軌道を持つ原子モデルは、現代原子モデルまたは量子力学的原子モデルと呼ばれ、現在適用可能です。
原子核の周りの電子雲は、電子がどこにある可能性が高いかを示しています。 軌道は電子エネルギーのレベルを表します。 同じまたはほぼ同じエネルギーレベルの軌道はサブシェルを形成します。 いくつかのサブスキンが組み合わされてスキンを形成します。 したがって、シェルはいくつかのサブシェルで構成され、サブシェルはいくつかの軌道で構成されます。 皮膚の位置は同じですが、軌道の位置は必ずしも同じではありません。 次のような量子力学モデル。 波動力学原子モデルの特徴：
- 電子の運動は波動性を持っているため、その軌道（軌道）はボーアモデルのように定常ではなく、2次解に従います。 軌道と呼ばれる波動関数（で特定の状態の電子を見つける可能性が最も高い3次元形式） 原子）
- 軌道の形状とサイズは、3つの量子数の値によって異なります。 （軌道を占める電子はこれらの量子数で表されます）電子の位置は0.529アームストロングです ボーアによるとHの原子核からは確かなことではありませんが、それを見つける最大のチャンスかもしれません 電子。
これが量子モデルまたは現代の原子モデルの写真です。
原子構造（電子、陽子、中性子）
原子構造は、原子核と原子殻からなる物質の基本単位です。 原子核は、正に帯電した陽子と非帯電または中性の中性子で構成されています（中性子を持たない水素-1を除く）。 原子殻は、原子核を取り巻く負に帯電した電子で満たされています。 原子内の電子は、電磁力によって原子核に結合します。 陽子と電子の数が同じ原子は中性ですが、電子を持っている原子は中性です 陽子よりも多くは負であり、逆に陽子よりも電子が少ない原子は負です ポジティブ。
原子は、化学的組み合わせを実行できる元素の最小単位です。 原子は、正に帯電した陽子、非帯電の中性子、負に帯電した電子に分割できるため、分割できない最小の物質ではありません。 したがって、正しい定義は、陽子と中性子は原子核にあり、電子は原子殻に散乱しているということです。 原子量は原子核に集中しています。
電子
1897年、JJトムソンは英国の物理学者であり、彼の研究でブラウン管を使用していました。 トムソンは、帯電したプレートを陰極管の外側に置き、光が負のプレートで反射され、正に帯電したプレートに引き付けられることを発見しました。 したがって、電子と呼ばれる原子には負の電荷があると結論付けられます。 JJトムソンが使用したブラウン管は下の写真で見ることができます
プロトン
陽子の発見者には2つのバージョンがあり、陽子の発見者がラザフォードだったと述べている本もあります。 開発セクションで説明されているように、1910年にアルファ粒子を使用した実験 原子モデル。 2番目のバージョンでは、陽子の発見者はオイゲンゴールドスタインであり、さらに次のように説明されています。 1886年オイゲン・ゴールドスタインは、ブラウン管と呼ばれるブラウン管に似た管を使って実験を行いました。 実験結果から、カソードのバックチャネルから出てくる光が得られました。 これらの光線は陽子と呼ばれる正の光線と呼ばれます。 その質量は1836x電気の質量です
中性子
1932年、ジェームズチャドウィックは、Be原子に高エネルギー光線を照射することによって実験を行いました。 金属は、と同様に非常に高い放射線を放出します。 その後の実験では、光線は実際には陽子の質量よりもわずかに大きい質量を持つ中性粒子で構成されていることが示されました。 チャドウィックはそれを中性子と名付けました。 撮影結果は
帯電していない粒子の存在。 これらの非荷電粒子は大きな透過力を持ち、中性子と呼ばれます。 下の画像は、チャドウィによって実行された実験を示しています
原子モデルの開発
デモクリトスというギリシャの哲学者は、オブジェクトが連続的に切断されると、特定の時間に、再び分割できないオブジェクトが取得されると主張しました。 デモクリトスのある部分はアトムと呼ばれます。 アトムこの用語はギリシャ語の「a」を意味し、「Tomos」は分割を意味します。 つまり、原子は不可分であることを意味します。 次に、この理解を洗練して、原子は要素の最小部分であり、それ以上分割することはできませんが、元のオブジェクトの化学的および物理的特性を保持しています。
原子はZXAで表されます。ここで、A =質量数（原子質量、陽子および中性子の数を示します）、Z =原子番号（電子または陽子の数を示します）。 陽子は正に帯電し、中性子は負に帯電し（中性）、電子は負に帯電します。 陽子の質量=中性子の質量= 1,800倍の電子の質量。 原子番号が同じで質量数が異なる原子は同位体と呼ばれ、原子番号は同じです。 同じ質量を持ち、異なる原子番号は同重体と呼ばれ、同じ数の中性子からなる原子はと呼ばれます アイソトープ。