原子、理論、粒子、質量、力、形状を理解する
Atomを理解する
「アトム」という言葉は、「カットできない」を意味するギリシャ語の「アトモス」に由来します。 この理解によれば、原子はサイズが非常に小さいすべてのオブジェクトを構成する粒子です。 原子内にはサブ原子、つまりサイズがさらに小さい原子を構成する粒子もあります。 これらの原子がどれほど小さいかを想像するのは難しいです。この文の最後にある1つのドットだけでも、約2,000万原子の長さです。 各原子には核があり、 プロトン、 中性子と 電子
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。
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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。 一方、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ました。 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。
ダルトンの仮説は、砲丸投げのように固体の球として原子モデルによって記述されます。 次の図のように：ダルトンの原子モデル。 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。 こ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、内部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、固い正の球体に類似しています。 トムソンの原子モデルは次のように説明できます。トムソンの原子
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ません。
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たとき、ほとんどのアルファ粒子が通過したことがわかりました。 （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。
この電子軌道軌道を持つ原子モデルは、次の図に示すように、現在適用可能な現代原子モデルまたは量子力学的原子モデルと呼ばれます。
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。
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ので、その軌道（軌道）はボーアモデルのように定常ではなく、二次解に従います。 軌道と呼ばれる波動関数（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）
- ボーアによれば、H原子核から0.529アームストロングまでの電子の位置は確かではありませんが、電子を見つける最大のチャンスかもしれません。
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原子素粒子
電子
ダルトンの原子理論は、原子は最小の物質であると述べています。 実際、原子はその構成粒子、すなわち電子、中性子、陽子に分けることができます。 これは、低圧ガスの電流に関する研究によって証明されています。 研究は1855年にハインリッヒガイスラーによって始まりました。ハインリッヒガイスラーはガイスラー管と呼ばれる低圧ガラス管の設計に成功しました。 1859年、ユリウスプラッカーは、ガス実験の電気分解にガイスラー管を使用しました。 2枚の電極板を取り付けます。正極の電極は陽極と呼ばれ、正極の電極はと呼ばれます。 陰極。 高電圧を与えられた後、彼は陰極から放出される光線を観察しました。 しかし、プラッカーはビームを通常の電灯と見なしています。
1876年、オイゲン・ゴルトシュタインはプラッカーと同じ技術を使用しましたが、彼は陰極から放出された光線を陰極線と名付けました。 発生する問題は、陰極線が電磁波なのか粒子なのかということです。
ウィリアム・クルックスは、1880年に、より良い真空を作るためにガイスラー管を改造しました。この管は、クルックス管と呼ばれていました。 陰極線の特性に関するCrookesの観察結果は、次のように結論付けることができます。
- 陰極線は直進します。
- 陰極線は磁場で偏向されるため、電荷を帯びます。
- 陰極線は、チューブ内の小さな風車を回転させることができるため、質量があります。
- 陰極線は、ガスやその他の物質などの物質を発光させます。
- 最終的に、Crookesは陰極線が荷電粒子であると結論付けました。
1891年、ジョージ・ジョンストン・ストーニーは、陰極線は粒子であると主張し、彼はそれを電子と名付けました。 1897年、J.J。 トムソンは、特別なブラウン管を使用して、ブラウン管が粒子のビームであることを証明しました。
電子は、負の電荷を持つ素粒子であり、一般にe-と表記されます。 電子には既知の基本成分や下部構造がないため、素粒子であると考えられています。 電子の質量は陽子の質量の約1/1836です。
プロトン
陽子は、1.6 x 10-19クーロンの正電荷と、938 MeV（1.6726231 x 10-27 kg、または電子の質量の約1836倍）の質量を持つ亜原子粒子です。
1886年、オイゲン・ゴルトシュタインは正電荷の存在を証明しました。 校正は、陰極板に穴が開けられたブラウン管を使用して行われます。 彼は陽極に向かって伝播する陰極線の経路を観察しましたが、陰極板の穴を通って反対方向に進む他の光線があることがわかりました。 方向が反対であるため、光線は正電荷で構成されている必要があります。
中性子
中性子または中性子は、電荷を持たない（中性）、質量が940 MeV / cの亜原子粒子です。2 （1.6749 x 10-27 kg、プロトンよりわずかに重い。
中性子粒子の発見は、ラザフォードの研究によって開始されました。彼の実験では、彼は次の数を計算しようとしました。 原子核の正電荷と原子核の質量そして彼は原子核の質量が質量の半分にすぎないことを発見しました 原子。 1920年、ウィリアム・ドレイパー・ハーキンスは、原子核に他の粒子があると仮定しました。 陽子、粒子は陽子とほぼ同じ質量を持ち、電荷を持たない、と彼はそれを呼んだ 中性子。 1932年まで、ジェームズチャドウィックは中性子粒子の存在を証明していました。
この中性子の発見により、原子の構造がより明確になり、原子は原子核で構成され、電子がその殻の軌道を周回していることがわかりました。 原子核は、正に帯電した陽子と非帯電の中性子で構成されています。 電子が負に帯電している間。
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水素原子スペクトル（ボーア原子モデル）
ボーア原子モデルの成功の鍵は、水素原子のスペクトル輝線に関するリュードベリの式を説明することでした。 リュードベリの式は実験的に知られていましたが、ボーア模型が導入されるまでは理論的根拠が得られませんでした。 ボーア模型が式の構造の理由を説明しているからだけではありません。 リュードベリ、彼はまた、基本的な物理定数の観点から彼の経験的結果を正当化します。
ボーア模型は水素原子の原始模型です。 理論として、ボーアモデルは水素原子の一次近似と考えることができます より一般的で正確な量子力学を使用しているため、次のようなモデルと見なすことができます。 廃止されました。 ただし、その単純さと、特定のシステムに対する正確な結果のために、ボーアモデルは依然として量子力学の入門書として教えられています。
原子スペクトル分析に基づいて、ニールスボーアは次の原子モデルを提案しました。
- 電子には、エネルギーを放出または吸収せずに電子が原子核を周回できる特定の経路があります。 原子殻とも呼ばれる軌道は、特定の半径の円軌道です。 各パスは、1、2、3、4などから始まる主量子数（n）と呼ばれる整数で示され、記号K、L、M、Nなどで表されます。 n = 1の最初のパスは、Kシェルという名前になります。 nの値が大きいほど（原子核から遠いほど）、シェルを周回する電子のエネルギーが大きくなります。
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電子は、許可されたパス（既存のパス）にのみ存在する必要があり、2つのパスの間に存在してはなりません。 電子が占める経路は、そのエネルギーに依存します。 通常の状態（外部の影響なし）では、電子は最低のエネルギーレベルを占めます。 このような状態は基底状態と呼ばれます。
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電子は、特定の量のエネルギーを放出または吸収することで、あるシェルから別のシェルに移動できます。 より深いシェルへの電子移動は、エネルギー吸収を伴います。 逆に、より深いシェルへの電子の移動は、エネルギーの放出を伴います。
ガスをチューブに入れて電流を流すと、ガスが発光します。 各ガスが発する光は異なり、そのガスの特徴です。 光は、連続スペクトルではなく、線スペクトルの形で放出されます。 ガスが線スペクトルの形で発光するという事実は、原子の構造と密接に関連していると考えられています。 したがって、原子線スペクトルを使用して、原子モデルの正確さをテストできます。
線スペクトルは、さまざまな波長の一連の色の光を形成します。 最も単純な原子である水素ガスの場合、この一連の波長は、数式の形で表現できる特定のパターンを持っていることがわかります。 その後、バルマー系列以外の系列を発見した他のいくつかの系列は、ライマン系列、パッシェン系列、ブラケット、およびプファンドとして知られていました。 これらのシリーズのパターンは類似していることがわかり、1つの方程式にまとめることができます。 この方程式は水素スペクトル系列と呼ばれます。
ラザフォードの原子モデルでは、電子は軌道または軌道で原子核の周りを回転します。 軌道を描いて回転する電子は、円を描いて移動しているように見えるため、運動が加速します。 電磁理論によれば、加速を経験する電子は電磁波を継続的に放出します。 これは、時間の経過とともに電子がエネルギーを使い果たし、原子核の引力に陥ることを意味します。 これは、電子が不安定であることを意味します。 一方、電子は連続スペクトルで連続的にエネルギーを放出します。 これは、原子が一連の線を放出するという事実と矛盾します。
ラザフォードの原子モデルの結果としての電子の不安定性と連続スペクトルは、原子が安定していて線スペクトルを放出しなければならないという事実に対応していません。 原子の安定性と水素原子の線スペクトルを説明できる別の説明が必要です。
原子のボーアモデルは、原子の安定性とラザフォード原子モデルでは説明できない水素原子の線スペクトルを説明しようとしたニールスボーアによって提案されました。 ボーアの原子モデルには、次の3つの仮定が含まれています。
- 水素原子では、電子はエネルギーを解放（解放）することなく、特定の許可された経路を一周することしかできません。 この経路は定常経路と呼ばれ、対応する特定のエネルギーを持っています。
- 電子はある経路から別の経路に移動できます。 電子がより深い経路に移動すると、光の光子の形でエネルギーが放出されます。 一方、光の光子の形のエネルギーは吸収され、電子はより多くの軌道に移動します 外側。
- 電子を占有することが許可されている静止経路は、原子値の整数倍である角運動量を持っています。
ボーアの原子モデルは、エネルギーを放出することなく電子が軌道に入ることができる静止軌道または経路の概念を組み込むことにより、電子の安定性を説明することに成功しました。 原子線スペクトルは、原子のボーアモデルのもう1つの効果でもあります。 線スペクトルは、光の光子の形でエネルギーを吸収または放出することによって経路を変更できる原子内の電子のメカニズムの結果です。
したがって、ボーア原子モデルに基づく原子構造は、電子が特定のエネルギーで静止軌道にある可能性があるということです。 電子の経路は、電子のエネルギー準位と考えることもできます。特定の半径で特定の静止経路にある電子は、特定のエネルギーを持っていると言われます。 n番目の軌道の電子は次のように経路半径とエネルギーにあります。
ボーア原子モデルは原子の安定性と水素原子の線スペクトルを説明できますが、ボーア原子モデルを使用して多電子原子のスペクトルを決定することはできません。 さらに、ゼーマン効果による不思議なスペクトル線があり、さらに説明が必要です。 これはボーアの原子モデルの弱点であり、ラザフォードの原子モデルよりも進んでいるにもかかわらず、まだ不完全です。
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原子量と力
核時代
異なる元素の原子は異なる質量を持っています。 質量は、原子核内の陽子と中性子の数に依存します。 水素原子には陽子が1つあり、中性子はないため、原子量は1つだけです。 原子量が大きいほど、原子は小さくなります。
原子番号
異なる物質のこれらの原子は、それらの核に不均等な数の陽子を持っています。 原子核内の陽子の数は原子番号と呼ばれます。 原子核内の陽子の数が変化すると、その原子は以前とは異なる性質を持つ原子に変わります。
アトミックスタイル
負に帯電した電子は、電磁力によって正に帯電した原子核の周りの軌道に保持されます。 陽子と中性子を原子核に保持する核引力は、宇宙で最も強力な力です。 力は電磁力の100倍です。
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電荷
存在する原子のほとんどは中性の電荷を持っています。 正に帯電した陽子と負に帯電した電子の数は同じです たくさん。 この引力を持つ電荷は互いに打ち消し合います。
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原子の形
これらの原子は、同位体と呼ばれるさまざまな形をしています。 これらの形態のそれぞれは、同じ数の陽子と電子を持っていますが、異なる数の中性子を持っています。 したがって、原子のすべての同位体の原子番号は同じですが、質量数は異なります。
これらの同位体は同じ物理的性質を持っていますが、異なる化学的性質を持っています。 要素内のほとんどの原子は、要素の1つのタイプです。