電子雲は、電子を見つける確率が最も高い原子核を囲む確率の雲です。
原子について考えるとき、あなたの心はおそらく中心原子核とその周りを回る電子の束のイメージを思い浮かべます。これは、数え切れないほどの SF 番組、コミック、映画で見られるイメージです。それは、私たちが生涯を通じて脳内で強化してきた原子のイメージです。漫画のヒーローであるアトムでさえ、この古典的なアトムのイメージを使って自分自身を表現することにしました。
原子は、中心核の周りを回転する電子の束として一般的に説明されています (写真提供:Yurchanka Siarhei/Shutterstock)
しかし、この問題に関する継続的な研究により、科学界は、原子が実際にどのように見えるかではないことに気付きました。混乱している？私を信じてください、最初は私もそうでした。私はいつも、電子は密集した原子核の周りを回る完全に丸い小さな球であると想定していました。結局のところ、その表現は原子の真のイメージをほとんど正当化していません。
原子には、陽子と中性子からなる中心核があります。それを囲むのは、電子が見つかる可能性が最も高い「確率の霧」です。密度が高いほど、電子が見つかる可能性が高くなります。この確率の濃い霧は電子雲と呼ばれます .
電子が見つかる可能性が最も高い原子核周辺の領域は、電子雲と呼ばれます (写真提供:dani3315/Shutterstock)
好奇心旺盛な人 (私のように) は、おそらくこのような単純な説明に満足していないでしょう.電子雲の霧の道をさらに進んでいきたいと思いますが、原子内の電子に関する最も初期の理解から始めて、そこから先に進みましょう。
アトムのプラムプリンモデル
1910 年までに、科学者は原子の 2 つの主要な構成要素、正に帯電した陽子と負に帯電した電子を発見しました (中性子は 1932 年に James Chadwick によって発見されました)。しかし、これらの粒子が原子内でどのように組織化されているかについては、まだ結論が出ていません。最初の説明の 1 つは J. J. トンプソンによって与えられたもので、彼は電子と陽子が「プラム プディング」に幾分似た形で原子内に均等に広がっていると述べました。
プラム プディング モデルでは、電子と陽子が原子内に均一に分布していると仮定されていました (写真提供:パブリック ドメイン/ウィキメディア コモンズ)
ラザフォードの原子モデル
トンプソンの仮説を検証するために、アーネスト・ラザフォードは世界的に有名な金箔の実験を行いました。この実験では、金箔にアルファ粒子を衝突させました。
ラザフォードの金箔実験装置 (写真提供:Sergey Merkulov/Shutterstock)
プラム プディング モデルが実際に正確である場合、アルファ粒子の偏向はほとんどまたはまったくないでしょう。しかし、ラザフォードは、一部のアルファ粒子は中断されることなく通り抜けたが、いくつかは元の位置に跳ね返ったことを観察した.この矛盾により、ラザフォードは原子の新しいモデルを提案しました。粒子が途切れることなく通過した領域は大部分が空のように見えましたが、粒子が偏向または跳ね返ったポイントは、原子全体の質量の高い濃度を保持しているように見えました。したがって、彼はプラム プディング モデルを破棄し、一般的なメディアで見られる古典的な原子モデル (電子に囲まれた中心核) を支持しました。
ラザフォードのモデルでは、電子は任意の軌道で原子核の周りを回っていました (写真提供:Tschub/Shutterstock)
原子のボーア模型
ラザフォードのモデルは広く受け入れられるようになりましたが、彼の学生の 1 人であるニールス ボーアはモデルをさらに改良しました。彼は、原子を取り囲む電子が任意に回転しないことを証明しました。むしろ、それらは非常に特定のエネルギーレベルで明確に定義された軌道で回転します。つまり、軌道は量子化されます。この証明により、ボーアの原子モデルは、水素スペクトルなどの特定の現象を説明することができました。ただし、それはまったく別の議論です。
ボーアのモデルでは、電子軌道が量子化されました (写真提供:sophielaliberte/Shutterstock)
エレクトロン クラウド
これらの各モデルは、何十年にもわたって科学界を困惑させてきた謎のほとんどを説明しました。ボーアの量子化された軌道モデルは非常に直感的で、完璧に見えました。しかし、量子力学が明らかにしたように、モデルは現実からかけ離れていました。以前の原子モデルはすべて、電子が惑星系のように原子核の周りを回転する明確に定義された質量を持つ粒子であると仮定していました。しかし実際には、電子は原子核を取り囲む密集した確率の雲のようなものです。
確率の電子雲に囲まれた原子核 (写真提供:Media Whalestock/Shutterstock)
電子は測定可能な運動エネルギーと運動量を持っていますが、回転しているようには見えません。電子は濃い霧のように原子核を取り囲んでいます。ただし、1 つはっきりさせておきましょう。電子は、霧の中で探すことができるとらえどころのない粒子ではありません。ぼやけた雲のように見えるほど速く動くターゲットではありません。実際、電子は クラウド。
電子雲には質量がありますか?
電子は原子核の周りを回転する完全な球体ではなく、確率的に密集した曇った領域であることを確立しました。では、どうやってその質量を確認できるのでしょうか?電子雲には質量さえありますか?どこにでもある科学の教科書では、電子の質量が 9.11 X 10–31 kg であることを大きな太字で自信を持って示しています。これは本当です。
しかし、雲全体の重さは 9.11 X 10–31 kg になるのでしょうか?はい。クラウドの一部はどうですか？雲の一部が電子よりも小さい質量を持つことはありますか?あまり。
ここから少し霧がかかります。あなたが小さなスプーンを持っているとしましょう。そのスプーンを取り、電子雲領域の 25% に浸します。あなたのスプーンには、9.11 X 10–31 kg の 25% に等しい重量が含まれていますか?いいえ。スプーンが電子雲の 25% を保持している場合、スプーンが 9.11 X 10–31 kg の電子質量を含む確率は 25% です。電子全体を所有することも、まったく所有しないこともできます。雲で表されていますが、雲は物理的ではないため、部分的に分解することはできません。雲は、電子の真の状態を説明するための最良の方法にすぎません。
もちろん、これは電子雲の非常に単純化された説明です。量子力学の複雑な世界は、確率によって支配される量子波動関数として電子雲を数学的に表します。ただし、そのような数学は、この作品の範囲外のようです。ここでの私の目的は、「電子」が実際に何であるかを視覚化するのを助けることだけでした.
ですから、次に誰かが原子について考えるように頼んだら、電子が中心原子核の周りを回っているという時代遅れで不正確なイメージを思い起こさないでください。代わりに電子雲を考えてみてください!
