科学者は、元素とその挙動を実験して観察し、原子の存在を解明し、原子理論を組み立てるのに役立ちました.
原子理論は、最初の透過型電子顕微鏡が登場するずっと前に誕生しました。つまり、私たちは原子を見るずっと前から原子について知っていたということです!
彼らについて知るために物事を見る必要があると誰が言ったのですか！私たちは重力や電気、さらには磁力を見たことがありませんが、これらのことについて多くのことを知っています.私たちが知っていることは視覚的な観察だけでは得られないという意味で、科学は常に奇妙なものです。好奇心はすべての科学的ブレークスルーを推進しますが、十分な物理的および具体的な証拠が不足している場合、人は間接的な結果を通じて理論を証明します。結果を決定するこの方法は、現代の原子理論の基礎です。
原子が見えないのはなぜですか?
簡単に言えば、信じられないほど小さいからです。物体に当たる光を屈折させると、物体が見えます。原子のサイズは 30 ～ 300pm で、およそ 10 ～ 12m のオーダーです。光学顕微鏡の場合、原子は目に見えません。つまり、原子は光の粒子と相互作用しないため、たわみはありません。私たちが最初に原子を垣間見たのは、電子顕微鏡が発明されてからでした。可視光よりも波長が短い電子ビームは、ターゲットに当たると散乱します。この散乱により、イメージの作成が可能になります。原子を観察できるだけでなく、サンプル内で原子を動かして研究するのに役立つ、より高度な顕微鏡がたくさんあります!
どうやって原子の存在を思いついたのですか?
原子論の定式化には何年もかかります。これは、ソクラテス以前の時代に始まった原子理論の定式化のプロセスを年表化する初歩的な試みです。
原子モデルの絵の進歩 (写真提供:Nasky/Shutterstock)
- 原子について最初に考えたのはギリシャの哲学者デモクリトスでした。物質をどんどん細かく分割しても、すべての粒子は同じ性質を持っています。物質を分割し続けると、それ以上分割できなくなる時が来ます。この分割できない粒子が「atomos」です。注目すべきことの 1 つは、この時代の原子学者が、すべての物質の原子はあらゆる点で類似していると信じていたことです。
- 原子論者の教えは、1800 年代にジョン・ダルトンが最初に原子論を提案するまで、約 2000 年間失われていました。元素が特定の「整数比」(1:2 や 3:4 など) でのみ組み合わされる理由を解明しようとしているときに、ダルトンは、それぞれに固有の、分割できない固体、質量を持つ、分割できない粒子が存在するに違いないと判断しました。エレメント。彼は、この小さな粒子は分割できないため、化合物は分数で結合できないと信じていました.
- 19 世紀後半の J J トンプソンの「プラム プディング モデル」は、原子が固体粒子であるという神話を打ち破った最初のモデルでした。最初に電子を発見した陰極線管実験は、原子モデルの修正につながりました。新しいモデルは固体のボールではありませんでしたが、プラスの電荷の海にマイナスの電荷が浮かんでいました。 (原子全体が中性であることが知られているため、正に帯電した海でした)
- アーネスト・ラザフォードの金箔実験は、正電荷が原子のごく一部にしか含まれていないという事実をさらに認めました。ほとんどのアルファ線は偏向せずに通過したため、原子はほとんど空でなければなりませんでした。そらされたいくつかの光線は、核に当たった可能性があります。プラム プディング モデルはラザフォードの「核モデル」に置き換えられましたが、電子の位置は依然として論争の的でした。
- 20 世紀初頭に量子力学が台頭しました。量子力学のパイオニアであるマックス・プランクとアインシュタインは、量子化されたものはすべて特定の値しかとれないと説明しました。デンマークの科学者ニールス・ボーアは、原子の構造は惑星モデルに似ていると強く信じていました。ボーアは、量子化の理論を使用して、電子が原子核を周回し、原子核に落ちないにもかかわらず、どのように電子がその軌道にとどまるかを説明しました。
- Erwin Schrödinger による電子の粒子と波動の二重挙動の発見は、電子が特定の軌道にあるというボーアの仮定と矛盾していました。これで、ある領域で電子が見つかる確率を計算する原子の量子力学モデルができました。これは、電子軌道が特定のエネルギー準位を持つというボーアの仮定と矛盾しています。
- モデルは完成したように見えますが、原子核の質量はまだ謎のままでした。私たちは陽子と電子について知っていましたが、科学者たちは原子核がすべての陽子を合わせた重さよりも重く、ほぼ2倍の重さであることを発見しました! 1932 年に Chadwick が中性子 (質量が陽子に非常に似ている) を発見したことで、現代の原子モデルが完成しました。核の原子質量は、これらの新しく発見された中性子の存在によって正当化されました。
ご覧のとおり、最新の原子モデルは、さまざまな観察、疑問、実験の結果です。モデルが何年にもわたって進化してきた方法を観察すると、科学者が分析できる視覚的なデータが不足しているため、実験的証拠に大きく依存していたことが明らかになります。これは、最初の透過型電子顕微鏡が誕生するずっと前のことです!
他に亜原子粒子はありますか?
電子ビーム顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡などの最新の顕微鏡は、原子やナノ粒子の構造を観察するのに役立ちましたが、まだまだあります!
スタンフォード大学の科学者たちは、核研究を促進するために設計された電子加速器を構築しました。電子ビームは、200 億電子ボルトのエネルギーで加速されました。このような高エネルギービームが液体水素と重水素に向けられると、研究者は、電子が予想よりも広い角度で、より頻繁に散乱し始めることを観察しました。 1970 年代までに、原子核には散乱パターンを引き起こす 3 つの散乱中心があることが判明しました。この発見は、クォークの存在の最初の証拠でした!
素粒子 (写真提供:Designua/Shutterstock)
最近まで、電子、陽子、中性子が最も基本的な素粒子であり、分割できないと考えられていました。しかし、クォークは、陽子と中性子を構成する実際の元素の分割不可能な粒子です!今のところ、電子は分割できないと考えられていますが、それ以上のものがあっても驚かないでしょう!
原子の発見とその後の亜原子粒子の発見は、観察と実験の重要性を証明しています。 20 世紀には、必要な視覚的参照を提供する強力な顕微鏡がありませんでしたが、科学者は原子を研究することができました。現在のテクノロジーの傾向を見ると、将来的にははるかに洗練された装置にアクセスできるようになり、量子領域の中心部や宇宙の隅々まで飛躍的に前進するのに役立ちます!
