メジャーのための化学

ダルトンが彼のアイデアを開発してから何世紀も、科学者たちは原子理論の理解を促進する上で重要な進歩を遂げました。, これの多くは、原子の内部構造の詳細を明らかにしたいくつかの精液実験の結果から来ました。 ここでは、これらの重要な開発のいくつかを、科学的手法の適用と実験的証拠がどのように分析されたかを理解することに重点を置いて議論する。 これらの実験の背後にある歴史的な人物と日付は非常に興味深いものですが、彼らの仕事から生じる概念を理解することが最も重要です。

十九世紀後の原子理論

物質が原子で構成されていた場合、原子は何で構成されていましたか？, といった最小の粒子やったことが何です。 1800年代後半には、これらのような質問に興味を持っている多くの科学者が低圧ガス中で生成される可能性のある放電を調査し、イギリスの物理学者J.J.トムソンによって陰極線管を使用して最も重要な発見がなされました。 この装置は、ほとんどすべての空気が除去された密封されたガラス管で構成されていました。 電極を横切って高電圧を印加すると，陰極線と呼ばれる可視ビームがそれらの間に現れた。, このビームは正電荷に向かって偏向され，負電荷から離れ，電極に異なる金属を使用したときに同じ特性を持つ同じ方法で生成された。 同様の実験では，光線を印加した磁場によって同時に偏向させ，偏向の程度と磁場強度を測定することにより，トムソンは陰極線粒子の電荷対質量比を計算することができた。 これらの測定の結果、これらの粒子は原子よりもはるかに軽いことが示されました（図1）。,

図1. （ａ）Ｊ．Ｊ．Ｔｈｏｍｓｏｎは陰極線管内で可視ビームを生成した。 (b)これは1897年にフェルディナント-ブラウンによって発明された初期の陰極線管です。 （c）陰極線では、ビーム（黄色で示されている）は陰極から来て、陽極を過ぎて管の端に蛍光スケールに向かって加速される。 印加された電場と磁場による同時たわみにより，Ｔｈｏｍｓｏｎは陰極線を構成する粒子の質量電荷比を計算することができた。, （クレジットa：ノーベル財団による作品の修正、クレジットb：オイゲン-ネスパーによる作品の修正、クレジットc：”Kurzon”/ウィキメディア-コモンズによる作品の修正）

彼の観察に基づいて、ここにトムソンが提案したものと理由があります：粒子は正の（+）電荷によって引き付けられ、負の（-）電荷によって反発されるので、負に帯電しなければならない（電荷が反発し、電荷が引き付けられるのとは異なるように）。、すべての原子の亜原子成分。, 当時は物議を醸していたが、トムソンのアイデアは徐々に受け入れられ、彼の陰極線粒子は現在、原子の千倍以上の質量を持つ負に帯電した亜原子粒子である電子と呼ばれるものであった。 “電子”という用語は、1891年にアイルランドの物理学者ジョージ-ストーニーによって”電気イオン”から造語された。”

1909年に、電子に関するより多くの情報は、アメリカの物理学者ロバートAによって発見されました。, 彼の”オイルドロップ”実験を介してミリカン。 ミリカンは、それらが形成されたときに摩擦によって、またはX線を使用して帯電する可能性がある微視的な油滴を作成しました。 これらの液滴を最初により減少しました重力が低下が進ん減速したものの逆転による電場下に置しています。 電界強度を調整し、慎重な測定と適切な計算を行うことにより、Millikanは個々の滴に対する電荷を決定することができました（図2）。

図2., Millikanの実験では、個々の油滴の電荷を測定しました。 集計されたデータは、いくつかの可能な値の例です。

ミリカンが収集した電荷データを見ると、油滴の電荷は常に特定の電荷の倍数であることがわかっているかもしれませんが、1.6×10-19C.ミリカンは、この値は一つの電子（1回1.6×10-19C）、二つの電子（2回1.6×10-19C）、三つの電子（3回1）の過剰による測定された電荷で、単一の電子の電荷でなければならないと結論づけました。,6×10-19C）、等、ある特定のオイルのしぶきの。 電子の電荷はミリカンの研究によって知られており、電荷対質量比はトムソンの研究（1.759×1011C/kg）によってすでに知られていたため、電子の質量も求めるためには簡単な計算が必要であった。

\テキスト{電子の質量}=1.602\回{10}^{-19}\テキスト{C}\回\frac{1\テキスト{kg}}{1.759\回{10}^{11}\テキスト{C}}=9。,107\times{10}^{-31}\text{kg}

科学者たちは、ドルトンが信じていたように原子は不可分ではないことを確立し、トムソン、ミリカンなどの研究により、負の亜原子粒子—電子—の電荷と質量が知られていた。 しかし、原子の正に帯電した部分はまだよく理解されていませんでした。 1904年、トムソンは原子の”プラムプディング”モデルを提案し、すべての原子が電気的に中性であるため、その中に埋め込まれた電子の形で等量の負電荷を持つ正に荷電した質量を記述した。, 1903年に長岡半太郎によって、電子のハローで囲まれた正に帯電した球からなる土星のような原子を仮定した競合モデルが提案されていました（図3）。

図3. （a）トムソンは、原子がレーズン（”plums”）を埋め込んだしっとりとしたケーキからなる英国のデザートであるplum puddingに似ていると提案した。 (b)長岡は、原子が土星に似ており、正の”惑星”を取り囲む電子の環があると提案した。,”（credit a：”Man vyi”/Wikimedia Commonsによる研究の修正、credit b：”NASA”/Wikimedia Commonsによる研究の修正）

原子を理解する上での次の主要な発展は、主にカナダとイギリスで科学キャリアを過ごしたニュージーランドの物理学者アーネスト-ラザフォードから来たものである。, 彼はラジウムの放射性崩壊によって生成された高速、正に帯電したアルファ粒子（α粒子）のビームを使用して一連の実験を行いました。α粒子は二つの陽子と二つの中性子で構成されています（核化学のモジュールで放射性崩壊についての詳細を学びます）。, ラザフォードとその同僚のハンス-ガイガー（後にガイガーカウンターで有名）とアーネスト-マースデンは、放射線の大部分を吸収するために鉛ブロックに埋め込まれたα粒子のビームを、非常に薄い金箔で狙い、α粒子が当たったところで簡単に輝く発光スクリーンを用いてα粒子の散乱を調べた。

彼らは何を発見しましたか？ ほとんどの粒子はまったく偏向されることなく箔を通って正しく通過した。, しかし、いくつかはわずかに流用され、ごく少数のものがソースに向かってほぼまっすぐに偏向されました（図4）。 ラザフォードはこれらの結果を見つけることを説明した：”それは私の人生で私に起こった最も信じられないほどの出来事でした。 まれていますし、こじんまりとした素晴らしば火力は15インチのシェルが形成された、ヒットします。”

図4., ガイガーとラザフォードは、この実験の概略図に示すように、α粒子を金箔で焼成し、それらの粒子がどこに行ったかを検出しました。 ほとんどの粒子は箔をまっすぐに通過したが，少数はわずかに偏向し，非常に少数は著しく偏向した。

ラザフォードが推論したものは次のとおりです：高速移動するα粒子のほとんどは、金原子を無反射で通過したため、原子内の本質的に空いた空間を通って移動したに違いありません。, アルファ粒子は正に帯電しているので、それらが別の正の電荷に遭遇したときに偏向が生じた（電荷が互いに反発するような）。 Like電荷は互いに反発するので、経路を急激に変化させた少数の正に帯電したα粒子は、非常に集中した正電荷を持つ別の物体に衝突したか、または近づいたに違いない。 たわみは時間のほんの一部で起こったので、この電荷は金箔中の少量の空間を占めるだけであった。, このような一連の実験を詳細に分析すると、Rutherfordは二つの結論を導いた：

1. 原子が占める体積は大量の空きスペースでなければならない。
2. 小さく、比較的重い、正に荷電した体、核は、各原子の中心になければなりません。li>

この解析により、ラザフォードは、原子が非常に小さい正に帯電した核からなるモデルを提案し、原子の質量の大部分が負に帯電した電子に囲まれ、原子が電気的に中性であるように集中している（図5）。 さらに多くの実験の後、ラザフォードはまた、他の元素の核が”ビルディングブロック”として水素核を含んでいることを発見し、彼はこのより基本的な粒子をプロトン、核で見つかった正に荷電した、亜原子粒子と命名しました。, あなたが次に学ぶ一つの追加で、一世紀以上前に提案された原子のこの核モデルは、今日でも使用されています。

図5. Α粒子は、はるかに重い正に帯電した金核と衝突またはその近くを通過するときにのみ偏向される。 核は原子の大きさに比べて非常に小さいため、偏向されるα粒子はごくわずかです。 ほとんどは、急速に移動する粒子を偏向させるには軽すぎる電子によって占められる比較的大きな領域を通過する。,

もう一つの重要な発見は同位体の発見でした。 1900年代初頭、科学者たちは新しい元素のように見えるいくつかの物質を同定し、放射性鉱石からそれらを分離しました。 例えば、トリウムの放射性崩壊によって生成された”新しい元素”は、最初にメソトリウムという名前が与えられました。, しかし、より詳細な分析は、メソホリウムが異なる原子質量を有するにもかかわらず、ラジウム（別の崩壊生成物）と化学的に同一であることを示した。 この結果は、他の元素についても同様の知見とともに、イギリスの化学者フレデリック-ソディにより、元素は化学的に区別できない異なる質量を持つ原子のタイプを持つことができることを認識させた。 これらの異なるタイプは、質量が異なる同じ元素の原子である同位体と呼ばれます。 ソディはこの発見により1921年にノーベル化学賞を受賞した。,

一つのパズルが残った：核は原子の質量のほぼすべてを含むことが知られており、陽子の数はその質量の半分以下しか提供していませんでした。 核内に中性粒子が存在することを含め、残りの質量を構成するものを説明するために異なる提案がなされた。 ご想像のとおり、非荷電粒子の検出は非常に困難であり、James Chadwickが陽子とほぼ同じ質量を持つ中性子、非荷電、亜原子粒子の証拠を見つけたのは1932年まで, 中性子の存在も説明同位体：彼らは中性子の数が異なるので、彼らは質量が異なるが、彼らは陽子の数が同じであるため、彼らは化学的に同一です。 これについては後で詳細に説明する。

用語集

アルファ粒子（α粒子）：二つの陽子と二つの中性子からなる正に荷電した粒子

電子：負に荷電した、核の外側に位置する比較的低質量の亜原子粒子

同位体：陽子の同じ数が、中性子の異なる数を含む原子

中性子：原子核に位置する非荷電、亜原子粒子

原子核：陽子と中性子で構成された原子の巨大な、正に帯電した中心

陽子：原子核に位置する正に帯電した、原子以下の粒子