原子を理解する: 原子の隠された構造の探求

画像の説明: ヘリウム 4 原子の原子構造を表します。読みやすくするため、上の画像の縮尺は正確ではありません。原子核は中心にピンク色で表示され、電子雲または原子軌道は周囲の灰色の色合いで表示されます。ヘリウム 4 原子核は概略的に拡大されており、2 つの陽子と 2 つの中性子が赤と紫で示されており、そのサイズは 1 フェムトメートルまたは 10 ～ 15 メートルです。実際には、原子核 (および各核子の波動関数) も原子内の電子と同様に球形です。画像の出典：パブリックドメイン。

原子の構造

私たちが目にするものはすべて原子で構成されており、多くの原子はギリシャ語の「アトモス」（分割できない）に由来しています。はるか昔、紀元前4世紀。紀元前、ギリシャの哲学者レウキッポスとデモクリトスは、すべての物質は永久運動する小さな粒子で構成されており、非常に固体で永遠であると仮説を立てました。今日、私たちは原子についてもう少し正確な概念を持っています。原子は分割できないものではないからです。

1811 年以来、そのおおよそのサイズがわかっており、アメデオ アボガドロは原子のサイズを 10 と見積もっています。^-10メーター。 1911 年、アーネスト ラザフォードは原子の構造を解明し、原子核の大きさを 10 程度に決定しました。^-14メーター。

原子の大きさに関しては、原子軌道、つまり原子核を取り囲む電子雲について話します。この雲の理論上の直径は、ヘリウム原子の 62 pm (ピコメートル) からセシウム原子の 596 pm (ピコメートル) までです。物質の性質上単純なことは何もなく、この小さな距離は周囲の原子の化学的性質によって異なります。

原子核には原子の質量の大部分 (99.99%) が集中していますが、その質量もわかっています。安定した原子の場合、それは 1.674×10 の間です。^-24水素の場合は g、3.953×10^-22ウランの場合はg。

また、その組成もわかっています。内部には原子核と、原子核よりも 10,000 倍以上大きいため、原子の空間範囲全体を占める電子雲が見えます。さらに驚くべきことに、私たちは宇宙の原子の数さえ知っています。この数は非常に多く、それを書かなければならない場合、1 の後に 72 個のゼロを書かなければなりません。

原子の安定性

古典物理学では、負に帯電した粒子電子と正に帯電した陽子がパラドックスを引き起こすため、原子の安定性は古典物理学では説明できません。

古典物理学では、原子核の周りを放射する電子はエネルギーを失い（マクスウェルの理論）、したがって原子核に落ちるはずなので、物質は消滅し、消滅するはずです。これは、原子の安定性は古典理論の枠組みでは理解できないことを意味します。

20世紀の科学の天才たちは、1926年にポール・ディラック（1902-1984）とともに波動方程式でノーベル物理学賞を受賞したエルヴィン・シュレディンガー（1887-1961）によって1926年に一般化されたルイ・ド・ブロイ（1892-1987）の波力学のおかげで、この矛盾を1924年に解決するだろう。シュレーディンガー方程式。

量子力学では、パラメーターの値を測定せずに正確に知ることはできません。数学理論は、速度と位置のペアによって正確に状態を記述するのではなく、波動関数 (状態ベクトル) によって状態を記述します。これにより、ある点で粒子が見つかる確率を計算することが可能になります。したがって、量子力学の確率的性質は、粒子も波であり、もはや単なる物質点ではないことを予測します。

電子は原子軌道を占め、電磁力によって原子核と相互作用しますが、核子は核結合によって原子核内に保持されます。

電子雲は、電子層と副層を定義するコアの周囲の量子化されたエネルギーレベルに層化されます。核子は核層にも分布していますが、液滴モデルによる核構造は非常に便利なモデルで普及しています。

いくつかの原子は電子のおかげでそれらの間に化学結合を確立することができ、一般的に言えば、原子の化学的性質は原子核内の陽子の数から生じる電子配置によって決まります。この番号は原子番号と呼ばれ、化学元素を定義します。

目に見える金原子

ここでは、走査型トンネル顕微鏡を使用して、純金 (Au 100) シートの表面をできるだけ素材に近づけて詳細に観察しています。この画像に見られる金原子は、金の結晶構造上に規則的に間隔を置いて配置されています。この原子画像は、2006 年にアイントホーフェン工科大学の Erwin Rossen によって低温 STM Omicron を使用して生成されました。

原子サイズ

特定の原子の理論的 (計算された) 原子半径 (サイズはピコメートル (10^-12メートル）。原子半径は、隣接する 2 つの原子の核間の距離の半分です。この表に示されている値は単なる参考値です。