原子模型の進化:古代から現代まで

画像の説明: 時代を超えた原子モデル: デモクリトスからシュレディンガーまで。画像出典:astronoo.com

原子学校で学ぶ原子の性質

古代では、原子学者の学校は、「アトモス」（不可分）と呼ばれる微粒子を通じて物質の性質を理解しようとする最初の試みの1つです。

原子主義派の二人のギリシャ哲学者、レウキッポス(紀元前 500 ～ 440 年) およびデモクリトス（紀元前 460 ～ 370 年）すべての物質は小さな微粒子で構成され、永久運動をしており、非常に堅固で永遠であると信じられていました。

彼らの原子の概念は、哲学的な抽象化論理に基づいて、オブジェクトを継続的に切断することを想像すると、それを無限に分割できるでしょうか?

デモクリトスは、原子は形状、サイズ、位置、方向が異なると信じていました。たとえば、液体を構成する原子は滑らかで丸く、互いに簡単にすり抜けられる一方、固体の原子は絡み合うために粗く、フック状であると彼は想像しました。

原子学校の原子の動き

レウキッポスとデモクリトスの原子学者の学派では、原子は真空中で永久直線運動をしており、クリナメン。クリナメンとは、物質世界における多様性の出現を可能にする原子の動きにおけるわずかなランダムな偏りです。

中世の原子の性質

中世、レウキッポス、デモクリトス、エピクロスの原子論的な考えは哲学者や神学者によって広く否定されました。この時代はアリストテレスの物質観が主流でした。

アリストテレス (紀元前 4 世紀) は原子と空虚という考えを否定しました。彼は、すべての物質は 4 つの基本要素で構成されていると提案しました。地球、L'水、L'空気そして火、性質（暑さ、寒さ、乾燥、湿気）に関連しています。物質は、分割できない微粒子を持たず、連続していると考えられていました。

中世の原子の動き

中世では、原子の運動は哲学的言説の中に実際には存在しませんでした。動きは一般に、内部の性質または外部の影響に基づいた要素の変換として見なされていました。

アーネスト・ラザフォード著「原子の性質」

1911年、の経験アーネスト・ラザフォード(1871-1937) は、高密度の中心核の存在を実証することにより、原子の理解に革命をもたらしました。

ラザフォードは原子のモデルを提案しました。惑星模型ここでは、正に帯電した高密度で巨大な中心核が原子の質量のほぼすべてを含んでいます。

軽い電子は、軌道にたとえられる距離で原子核を周回しますが、その正確な動きはまだ十分に定義されていません。

注： :
ラザフォードは、アルファ粒子 (ヘリウム原子核) を衝突させた金の薄いシートを使用してモデルを開発しました。大部分の粒子は逸脱することなく通過し、原子がほとんど空であることを示しています。一部の粒子は強く偏向され、一部はほぼ直接跳ね返り、高密度で正のコアが存在することが証明されています。

ラザフォード原子内の電子軌道

ラザフォード モデルでは、原子核の周りの電子の動きを簡略化して示しています。それは安定で円形であり、原子核と電子の間の静電気引力によって決まります。このモデルでは、電子がエネルギーを失わずに原子核に落ち込む理由 (古典物理学が予測していること) を説明できません。

ニールス・ボーア著「原子の性質」

1913年のモデルニールス・ボーア(1885-1962) 電子軌道の定量化を導入し、原子の理解における重要なステップとなりました。

ニールス・ボーアは、歴史における根本的な一歩を表しています。原子物理学に基づいて、原子内の電子の動きの定量化された記述を導入するためです。古典力学そしてその最初のアイデアは、量子力学。

何が違うのかボーア模型古典的な理論では、特定の軌道のみが許可されるという考えがあります。これらの軌道は量子化されており、電子は特定のエネルギーレベルのみを占めることができることを意味します。電子は、明確に定義された量のエネルギーを次の形式で放出または吸収します。光の量子、軌道間の移行中。

ボーアのモデルは次のような現象をうまく説明することができました。水素分光法、ということを示すことによって、スペクトル線量子化されたエネルギーレベル間の遷移によるものです。残念ながら、このモデルは水素 (単一電子) にのみ適切に適用され、より複雑な原子には適用できません。多重電子原子のスペクトルについては説明しません。

ボーア原子内の電子の量子化された軌道

ボーアは、電子が原子核の周りを円軌道で移動すると仮定しています。各軌道は特定のエネルギーレベルに対応します。この運動中、古典力学とは異なり、原子核の周りを移動する電子がエネルギーを失って原子核に崩壊することは何も起こりません。

ボーアモデルは、安定した軌道にある電子はエネルギーを失わず、崩壊することなくこれらの軌道に留まると仮定します。ただし、電子は、エネルギー量子 (今日私たちが光子と呼んでいるもの) を吸収または放出することによって、あるエネルギー レベルから別のエネルギー レベルに移動できます。量子ジャンプは連続的な動きとは見なされません。

原子の性質 by ルイ・ド・ブロイ

1924年、の理論ド・ブロイ(1892-1987) 量子力学の基本概念である波動と粒子の二重性を導入しました。

ド・ブロイ理論の中心的な考え方は、光が波と物体として振る舞うなら、あらゆる物質粒子（電子など）は波と物体の両方として振る舞えるというもので、これを波動粒子双対性と呼ぶ概念です。

電子などの質量粒子には、ド・ブロイ波長と呼ばれる関連する波長があります。ド・ブロイのモデルは、波動と粒子の二重性に基づいた物理的正当化を提供します。

ド・ブロイは、原子核を周回する電子は古典的な円軌道をたどる点粒子としてではなく、強め合う干渉に対応するように分布した定在波とその推定位置として考えるべきであると示唆している。このモデルは、原子の古典的なビジョン (ボーア) から、シュレディンガーの波動力学に統合された完全な量子記述への移行における基本的なステップです。

ド・ブロイ原子の定在波と量子軌道

ド・ブロイ原子内の電子の動きは、定められた軌道に対応するのではなく、原子核の周りの波動分布に対応します。電子は定在円波のように振る舞います。それらは古典的な軌道をたどらず、量子軌道に対応する空間領域を占有します。

原子の性質 ヴェルナー・ハイゼンベルク著

1925年のモデルヴェルナー・ハイゼンベルク(1901-1976) は原子の確率的記述を導入し、古典的なモデルとの決別を示しました。

ハイゼンベルクによって提案された原子のモデルとして知られています。マトリックス力学、量子力学の最初の定式化の 1 つです。電子が明確に定義された円軌道上を移動するものとして説明するボーアのモデルとは異なり、ハイゼンベルクのモデルでは、電子の状態と遷移のより抽象的かつ数学的な記述が導入されています。

ハイゼンベルクは、原子のイメージを古典的なイメージから、量子の現実がもはや決定論的ではなく、確率に基づいた非常に抽象的な概念に変換しました。原子は確率的な実体であり、統計法則に支配されており、その測定可能な特性 (エネルギー、位置、速度など) は、観察上の相互作用 (測定行為) が発生した場合にのみ現れます。

ハイゼンベルク原子は、陽子のみで構成される高密度の原子核として見えます (1919 年に確認)。電子の存在の確率を表す拡散雲に囲まれています。これらの雲は軌道に応じてさまざまな形をとることができます。

しかし、静電反発を中和するための明確な説明がないまま、原子の安定性には問題が残っていました。

ハイゼンベルク原子における量子状態と遷移

電子の動きは状態ベクトルと行列演算子によって抽象的かつ数学的に記述されます。電子は明確に定義された古典的な軌道を持たず、重畳された量子状態で存在します。

これらの状態間の遷移は定量化され、確率的に行われます。ハイゼンベルクの不確定性原理はこの説明において基本的な役割を果たし、電子の位置と運動量を同時に知ることができる精度を制限します。

原子の性質 by エルヴィン・シュレーディンガー

1926年、次の方程式エルヴィン・シュレディンガー(1887-1961) は電子の量子状態の記述を可能にし、量子力学に大きな進歩をもたらしました。

シュレーディンガーによって提案された原子のモデルとして知られています。波力学、量子力学のもう 1 つの基本的な定式化です。シュレーディンガーは、原子内の電子のような量子粒子の挙動を記述するために、彼の名前を冠した方程式を導入しました。シュレーディンガーは彼の方程式を使用して、この波の振動、したがって波が発する光を正確に計算し、ハイゼンベルクの理論と同様に正しいスペクトルを見つけることができます。

シュレディンガー モデルでは、電子の状態は波動関数 (Ψ) によって記述されます。この波動関数には、電子の量子状態について考えられるすべての情報が含まれています。

波動関数は直接観測できませんが、その二乗により空間内の特定の位置で電子が見つかる確率密度が得られます。これは、電子には定義された位置があるのではなく、存在の確率分布があることを意味します。

これらの確率領域は次のように呼ばれます。原子軌道。それはマックス・ボーン(1882-1970) は、1926 年に波動関数の確率的解釈を提案しました。この解釈により、原子軌道を電子が見つかる確率が高い空間領域として理解することが可能になりました。

シュレーディンガー原子の波動関数と原子軌道

電子の「動き」は、原子軌道における存在の確率分布を表す波動関数によって記述されます。

電子は明確に定義された古典的な軌道を持たず、重畳された量子状態で存在します。エネルギー準位間の遷移は波動関数の変化によって記述され、波動関数の時間発展は連続的かつ決定的です。古典的な動きではなく、確率を説明します。

原子の性質 by Max Born

1926年, マックス・ボルンの確率論的解釈により、原子軌道を確率の領域として理解することが可能になりました。

マックス ボルンは、波動関数 ψ (シュレーディンガー方程式の解) を物質波や物理波としてではなく、確率振幅として解釈しました。具体的には、特定の位置に粒子 (電子など) が存在する確率密度は波動関数の絶対値の 2 乗に比例すると提案しました。

マックス ボーンによれば、原子は古典的な概念との完全な決別を示しています。原子は、波動関数に基づく統計的および確率的記述を支持して、軌道、正確な位置、決定論の概念が放棄された実体になります。このビジョンは、現代の原子の性質の基本的な基盤の 1 つを構成します。

マックス・ボルンの原子における確率雲と量子不決定性

マックス ボルンによると、原子では、電子はラザフォードやボーアのモデルのように古典的な軌道をたどりません。特定の時点におけるそれらの正確な位置は基本的に不定です。正確な軌道の代わりに、雲の密度が電子の存在の確率を表す確率雲について話します。

Born は、電子が連続的かつ決定的な軌道をたどらないことを示しています。この動作は、ハイゼンベルクの不確定性原理によって導入された量子不決定論に直接関係しています。

現代の原子の性質

現代の原子の見方には、スピン、スピン軌道相互作用、相対論的効果などの高度な概念が組み込まれています。

現代の原子の性質は量子力学によって記述され、ラザフォード、ボーア、ハイゼンベルク、シュレーディンガーのような半古典的なモデルよりもはるかに複雑で微妙なビジョンを提供します。

現代の見解には、電子スピンとスピン軌道相互作用のほか、相対論的効果や電磁相互作用など、粒子と場の間の相互作用を記述するための場の量子理論が含まれています。 QFT は、高エネルギー現象と基本的な相互作用を理解するために不可欠です。

さらに、同じ原子内の 2 つの電子は同じ量子数セットを持つことができないというパウリの排他原理が組み込まれています。これは、周期表における原子の層状構造と元素の周期性を説明します。

現代の原子における複雑な相互作用と相対論的効果

現代の原子では、電子の「動き」の概念は確かに古典的なモデルの概念とは大きく異なります。明確に定義された軌道について話すのではなく、確率分布と量子状態について話します。

結論

現代の原子は、その確率的かつ非局所的な性質のため、古典的に画像化することができません。ただし、記号的および概略的な表現は、原子の特定の側面を視覚化するのに役立ちます。原子軌道、確率雲、エネルギーレベルは、現代の原子のより完全な全体像を与えることができます。

注： :
量子力学と現代の原子の文脈における「非局所的」という用語は、古典的な手段による情報の伝達がなくても、粒子の特性が任意の距離で発生するイベントによって瞬時に影響を受ける可能性がある現象を指します。