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原子モデルは何年にもわたってどのように進化してきたか?

<ブロック引用>

古代ギリシャ哲学の時代から現代の量子力学に至るまで、原子理論には複数の更新があり、それぞれが当時としては非常に革新的でした.

私たちの身の回りの物事の性質に対する私たちの理解は絶え間なく変化しています。今では当たり前のように思えることでも、1 世紀前には存在しなかったかもしれませんし、今後数十年で時代遅れになるかもしれません。時間をかけて洗練された科学の完璧な例は、原子理論の進化です。

科学が証拠に基づいたものではなく、哲学の一形態に似ていた古き良き時代から始めましょう。人々は、すべてのものは水、火、土、空気の 4 つの要素だけでできていると信じていました。当時、化学がどれほど簡単だったか想像してみてください!

デモクリトスのアトムの考え方

紀元前 400 年頃、デモクリトスというギリシャの哲学者は、世界のすべては、「切断不可能」を意味する「アトモス」と呼ばれる小さな不滅の粒子でできているという理論を思いつきました。彼は、物質の特性は、それらが構成されている原子の種類に依存すると信じていました。たとえば、酸味のあるものや辛味のあるものは尖ったエッジを持つ粒子でできていましたが、甘いものはより丸みを帯びた滑らかな原子でできていましたが、金属は硬い原子でできていました.この形状の誤解は別として、デモクリトスは、物質の性質を決定する原子組成に関して、ほぼ正しい軌道に乗っていました.

しかし、この理論は、地球上のすべてのものは土、火、水、空気の 4 つの要素でできていると信じていた最初の社会的インフルエンサーであるアリストテレスによって大きく信用されませんでした。

ダルトンの原子論

絶え間なく変化する原子理論の次の目的地は、ほぼ 2,000 年後、ジョン・ダルトンという名前の英国の化学者で気象学愛好家から来ました。彼は 2 つのガスを混合し、それらの動作を観察する実験を行いました。彼がテストしたガスのほとんどは、他のガスの存在に悩まされることなく、独立して存在していました。しかし、彼は、一酸化窒素が大気中の酸素と相互作用することを許可されたときに、何か違うことを発見しました. 36 メジャーの純粋な亜硝酸ガスが 100 メジャーの空気と反応して、80 メジャーの亜硝酸でも酸素でもない新しいガスが生成されました。

これは彼の好奇心をそそったので、彼は異なる量のガスで同じ実験を行いました.彼は、気体が一定の比率でのみ互いに​​反応することを観察し、それが倍数比例の法則と原子論を生み出しました。

ダルトンは、この世界のすべてが原子で構成されていると理論付けました。原子は、すべての要素に固有の小さな破壊不可能な固体球です。さまざまな元素の原子が結合してさまざまな化合物を形成し、化学反応中に再配置されました。 200 年経った今でも、この概念の一部は真実のままです。

トンプソン プラム プディング モデル

19 世紀後半まで、原子は分割できない粒子として描かれていました。この概念を最初に打ち破ったのは、英国の物理学者 J.J.トンプソンと彼の信頼できるブラウン管でした。ガラス管の真空の中で、金属電極に高電圧を印加することによって、粒子または陰極線の可視ビームが生成されました。金属から生成された粒子の流れは、負の電荷からそらされ、正の電荷に向かう傾向がありました.

この実験を他の金属で数回繰り返した後、彼は最初の原子モデルを思いつきました。彼の有名なプラム プディング モデルは、原子を、プラスに帯電した塊 (プディング) とその中に埋め込まれた小さな負電荷 (プラムのように) からなる粒子として説明しました。

陰極線管とプラム プディング モデル (写真提供:ウィキメディア コモンズ)

ラザフォードの原子核モデル

最初は抵抗がありましたが、このモデルは科学界で非常に人気がありましたが、ニュージーランド生まれのアーネスト・ラザフォードは納得していませんでした. 1900 年代初頭、放射能が大流行し、ラザフォードは放射性崩壊の研究中にアルファ線、ベータ線、ガンマ線を発見しました。彼は、アルファ粒子を生成し、それを使用して原子の構造を調べる方法を開発したいと考えていました.

彼は当時のすべての物理学者が行っていた実験を思いつきました。ガイガー・マースデン実験としても知られる金箔実験は、アルファ粒子が衝突するたびに光る硫化亜鉛でコーティングされた円形の金箔の薄いシートで構成されていました。ラザフォードは、粒子がフォイルを突き破り、その背後のスクリーンに衝突することを期待していました。ほとんどの粒子は予想どおりに動作しましたが、一部は 90 度を超える角度で偏向されました。

ガイガー・マースデンの金箔実験 (写真提供:Kurzon/Wikimedia commons)

彼の観察に裏​​付けられて、彼は以前の原子モデルを反証する新しい原子モデルを思いつきました。彼は、原子の質量の大部分が正に帯電した中心 (後に彼はラテン語で「ナッツ」を意味する原子核) に集中し、電子が太陽の周りを惑星のように周回する原子構造を提案しました。

ボーアの原子モデル

ラザフォードの原子論が発表されてから 1 年後、ニールス ボーアはモデルに矛盾があることを発見しました。電子が正に帯電した中心の周りを周回すると、ある時点で、それらの電子はエネルギーを失い、原子核に崩壊し、原子を不安定にします。しかし、そうではありませんでした。ほとんどの原子は (放射性のものを除いて) 非常に安定していることが証明されたからです。

ここで量子物理学が登場しました。ボーアは、量子化されたエネルギーの概念を使用して、電子が固定軌道または殻で原子核の周りを移動することを提案しました。原子核に近いシェルほどエネルギーが低く、最も遠いシェルほどエネルギーが高くなります。電子がより低いエネルギー軌道にジャンプすると、余分なエネルギーを放射線の形で放出し、それによって原子の安定性を維持します。

ボーアのモデルは複雑な多電子系には当てはまりませんが、このモデルは依然としてほとんどの教科書で最も一般的な原子構造の表現です。

(写真提供:Kurzon/Wikimedia commons)

シュレディンガー原子モデル

どんなに努力しても、量子力学の複雑さを避けることはできません。電子のような実体の量子挙動の確立により、ボーアの原子モデルがハイゼンベルグの不確定性原理を満たさないことが明らかになりました。不確定性原理によれば、原子内の電子の正確な位置と軌道を知ることは不可能です。つまり、ボーアが仮説を立てたように、固定軌道に存在することはできません。

波と粒子の二重性の概念と不確定性原理を組み合わせて、アーウィン・シュレディンガーは原子の量子力学モデルを思いつきました。このモデルでは、電子は円軌道で原子核の周りを回転するのではなく、電子を見つける確率が最も高い原子内の領域である原子軌道の電子雲として回転します。彼はまた、シュレディンガー波動方程式を定式化しました。これは、原子内の電子準位のエネルギーを正確に計算するのに役立ちます。この新しく改良された原子モデルは、電子がどこにあるのかを教えてくれるのではなく、電子がどこにできるのかを教えてくれます

長年にわたる原子モデルの進化 (写真提供:IlluScientia/Wikimedia commons)

人類は常に大きな疑問に悩まされてきました:私たちの周りの世界は何によって構成されているのでしょうか?また、素材によって挙動が異なるのはなぜですか?

原子理論の進化におけるすべてのステップにより、活気に満ちた快活な世界を支配する素粒子の秘密の理解に少しずつ近づいてきました。それでも…学ぶことはまだまだあります!


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