原子サイズ

画像の説明：1990年代からおかげさまでトンネル顕微鏡材料表面の原子を個別に確認して操作することが可能です。 このタイプの画像を生成するには、顕微鏡の非常に細い先端が数ナノメートルの高度で材料の表面をスキャンし、一定の電圧を放出します。 原子軌道の上を通過することで、表面を流れるトンネル電流の微小な変化を記録することができます。 材料の表面では、量子力学でよく知られている現象であるトンネリングによってポテンシャル障壁を通過できる電子はほんのわずかです。 この電流は、0.1 ナノメートルまたは 1 オングストローム程度の分解能で表面のトポグラフィー、つまり原子のサイズを忠実に再現する顕微鏡によって測定されます。 画像クレジット: STM イメージ ギャラリー ブルー ニッケル。

原子を見てみよう！

原子は化学元素の最小の粒子であり、原子核で構成され、その周りを一定数の電子が動きます。水素の場合は 1 個、炭素の場合は 6 個、鉄の場合は 26 個、ウランの場合は 92 個などです。

私たちが自然界で見出す元素の多様性を生み出すのは、その驚くべき量子特性による電子間の相互作用です。自然界の元素の構成は、元素の周期表またはメンデレーエフ表によって表されます。メンデレーエフ表は、すべての天然および人工の化学元素を分類し、原子番号 (陽子の数) の増加順に並べ、電子配置に従って整理します。

電子の世界は原子の量子の世界、つまりミクロの世界に属します。炭素 12 のような物質 1 グラムには、約 10 個の炭素が存在します。²²原子。私たちは 1811 年以来、原子のおおよその大きさを知っています。アメデオ・アボガドロ(1776-1856) このサイズを 1 オングストローム、つまり 10 と推定しました。^-101 メートル後、1911 年アーネスト・ラザフォード(1871-1937) は原子の構造を特定し、原子核に 10 程度のサイズを与えます。^-14メーター。原子は互いに数オングストローム離れていると言えます。

電子雲

1920 年代に量子力学が登場して以来、私たちは電子を原子核の周りを非常に規則的な軌道で回転する物体とは考えなくなりました。私たちは現在、電子の動きは惑星の動きとは大きく異なることを知っています。量子力学では、電子は単一の軌道をたどるのではなく、原子核の周りの領域のあちこちに位置しています。電子クラウドまたは原子軌道。

電子の軌道は原子の性質に応じてさまざまな特徴的な形状を取ることができます。たとえば、水素原子の軌道は球形、酸素原子の軌道は 2 滴の水滴の形、鉄原子の軌道は 4 滴の水滴の形です。 この原子軌道の形状によって原子のサイズが決まります。原子核の周りの電子雲の直径、つまり原子全体の直径は、0.1 ナノメートルまたは 100 億分の 1 メートル程度です。原子はとても小さいので整列させることができます1ミリメートルあたり1,000万個の原子。

ただし、原子の電子雲は確率的な性質の原子軌道の重ね合わせであるため、明確に定義された寸法を持ちません。したがって、原子空間のこの領域の形状は電子のエネルギーとその角運動量に依存するため、原子のサイズには単一の定義や非常に正確な測定値はありません。

原子サイズの概念

科学者は、理論上の原子半径これは、結合した原子核間の平均距離の半分を表します。この距離は原子の性質によって異なりますが、各原子核の原子軌道の大きさを計算できます。

原子のサイズは、電子の数に応じて、またはむしろ、内層に比べて原子核との結合がはるかに少ない外層の電子の原子軌道の占有に応じて増加します。原子内の層（量子エネルギー準位）が増えるほど、外層はさらに広がります。言い換えれば、外層は原子核との結合がますます少なくなり、より自由になるため、原子軌道の重ね合わせによって原子のサイズが大きくなります。 しかし、内層に電子が増えれば増えるほど、陽子が増え、正​​電荷が増えるため、原子核の引力も増大します。この特性 (陽子の数) は、負に帯電した原子軌道 (電子の負電荷) を原子核に近づけることにより、その空間的広がりを制限します。

いくつかの理論上の原子半径のサイズ: 水素 53 ピコメートル (10^-12メートル）、炭素 57 pm、酸素 48 pm、カルシウム 94 pm、鉄 156 pm、銅 145 pm など。

世界最小のフィルム

走査型トンネル顕微鏡のおかげで、材料表面の原子を個別に観察し、操作することができます。 IBM 社は、銅板上に鉄原子を含む世界最小の膜を作成しました。

このナノフィルムでは、各光点はこの画面上の 12 ピクセルを占める原子です。光点の周囲に振動を引き起こす小さな連続する波は、フィルムの欠陥ではなく、電子の波です。これらフリーデル振動これは奇妙なことではありませんが、粒子と波の両方の原子の量子的性質を裏切るものです。これらの振動の形状は、電子の実際の識別カードを構成します。

ナノフィルムは 52 個の原子 (鉄) × 32、つまり約 8 ナノメートル × 約 5 ナノメートルの大きさです。 1 ミリメートルの長さで、このサイズのフィルムを 10,000 枚並べることができます。各画像は絶対零度から数度の走査型トンネル顕微鏡の先端を使用して生成され、世界で最も冷たいフィルムでもあります。