カテゴリー: 高校物理

★ 本記事のテーマ

高校化学の序盤で、原子構造を学び、定期試験で暗記問題として出題されるので、多くの人が原子の構造が書けます。

でも、

おそらく、多くの人は、「No」でしょう。

また、

と思っているのではないでしょうか？

実は、

高校物理から原子の構造を１つ１つ解明します！

の６つのストーリで
「原子の構造」を解明します！

本記事は、

を解説します！

1つずつ見てきましょう。

原子の構造を解明しようとなった19世紀では、すでに電磁気学が発展していました。

電磁気学の実験でよく使われる
「陰極管」
に回路を組み、
高電圧をかけると「陰極から電子」が飛び出します。
(中学理科でも学ぶ、電流と逆向きだったという話ですね！)

ここからわかることは、

図で書くと、次の図でまとめられます。

ここから、高校物理の「原子物理」を使って、原子構造を解明していきます。

2つのストーリで進めます。

★ 発見の経緯

トムソンが1897年に実施した実験を再現しましょう。

陰極管の陰極から電子を発射させ、スクリーンへ衝突させる。
途中、電極板からの電場によって、電子の軌道が曲がる。

電子がスクリーンに衝突するときの\(y\)座標から比電荷\(e/m\)の式を作ります。

●\(x\)方向の等速運動と
●\(y\)方向の等速運動と、電場がかかる区間の等加速度運動
と
●電子の速度の項を削除するために、磁場Bをかけた条件を導入して
計算します。

比電荷\(e/m\)は
\(\frac{e}{m}\)=\(\frac{2yV}{LB^2d(L+2D)}\)
と導出できます。

★ 発見の経緯

ミリカンは1909年に電気素量eの精密な計測を行った。

細かい油滴を霧吹きを使って極板間の空気中に散布する。
油滴は重力によって下がるが、空気の粘性抵抗と極板にかかる電場
によって鉛直方向を運動し、終端速度\(v\)に落ち着く。

終端速度\(v\)と油滴の電荷量\(q\)の関係式が作ることができ
（問題集で導出を演習します。）
計測した終端速度\(v\)から、複数の油滴の電荷量を算出できる。

ここで、電子の比電荷\(e/m\)と電気素量\(e\)が
解明されたので、
電子の質量\(m\)も計算できます。
電子の質量\(m\)=\(9.1×10^{-31}\)[kg]
とわかります。

物質へのX線照射から、
原子内の電子の散乱から発生した特性Ｘ線の振動数νと
原子番号Z(自然数)には、定数bを使って

ν　∝ \((Z-b)^2\)

の関係があることを、モーズリーが導出した。

★この関係式は何がすごいのか？

まとめると、

が解明できたことになります！

チャーリー・バークラはX線の散乱と特性X線の分類を発見した。物質にX線を当てると、元素固有の波長をもつX線が出てくる事実を突き止め、「元素ごとに固有の内部構造」があるとわかった。

★この発見から何がわかる？

電子殻の存在がわかったこと

につきます。

原子内の電子の様子がかなりわかりましたね！
さて、原子内の「正の粒子」を探求してみましょう。

原子の中の「正の粒子」はZ価の正電荷をもっているが、粒子の大きさについてはわかっていない。そのため、物理学者たちが原子モデルを提唱した。その中で、ラザフォードは、α粒子(ヘリウム原子核)を非常に薄い金箔に向けて打ち込んだ。その結果、ほとんどのα粒子は金箔を貫通した。

★この発見から何がわかる？

そして、もう１つ

原子量と原子番号の差分から
・正の粒子
・電荷的に中性な粒子
の存在の可能性がみえました。

それが実証されました！

★ 発見の経緯

陰極線管内に水素ガスだけを補充し、電子線は電場と磁場がつりあう条件を満たすように直進させ、正イオン流の比電荷を計測した。

★この発見から何がわかる？

つまり、正イオン流は「水素イオン」であることがわかり、
水素は、この後で解説する「中性子」はもっていないことがわかります。

★ 発見の経緯

ポロニウムPoから発するα線がベリリウム(Be)に当てると、「透過力の強い新しい放射線」が出ることを発見していた。1932年イギリスのチャドウィックは、この「透過力の強い放射線」をパラフィン(CnH2n+2 水素を多く含み、透過力の強い放射線が水素原子と衝突する)に照射すると、正の電荷で水素イオン（陽子）が叩き出されたことがわかった。

★この発見から何がわかる？

「透過力に強い放射線」は「質量をもつ陽子」をはじき出したことから、質量をもつ何かの粒子であるとわかる。

★この発見から何がわかる？

つまり、
・質量は「陽子」と同程度

・電荷をもたない
をもつ粒子が原子にあることがわかります。
これを「中性子」と呼びますね。

以上の話の流れから「原子の構造」がかなりわかりましたね！

1つずつ解明する面白さが理解いただけたと思います。

さらに原子の構造を追求するにあたり、
新たな法則や知見が必要になっていきます。

次のお話は、

について解説していきます。

【QCセミナーの高校物理】リンク 「【重要】「プランク定数」が「粒子性と波動性の二面性」を導いた」

記事解説で紹介した各問題を詳細に学べるために、

を作成しました。

ブログ記事で紹介しきれない、エッセンスをわかりやすく解説します。

【QCセミナーの高校物理】リンク 【「6.原子物理」編】の紹介・ご購入ページ

「【重要】高校物理から原子構造が解明できる」を解説しました。

★運動方程式 なぜ力F=maなのかがわかる

さて、小学生でもわかる例題を用意しました。解いてみましょう。

即答できますよね！

でも、

つまり、

でも、

ここが

「力F」と「重さMは同じ」の方が理解しやすいですよね！

そりゃそうですよ！　中学まで出てこないんだから！

速度が上がると後ろ向きに力を感じるし、
急ブレーキかけられると、前にぶつかるし
それを「慣性の法則」とかいうよね！　くらいですよ！

高校物理の教科書も先生も予備校講師も、当たり前のように、
「F=ma」　ニュートンの第1法則
と真顔で説明しますよね。物理の先生たちって、宇宙人なのか？と別世界の話をしているように思えてしまい、ほとんどの高校生がここで脱落して「生物」とろうと選択しますよね！

最初は、暗記でできるんですが、数カ月経過して、改めて
「F=ma」はなぜ？
と問いかけると、自分で納得できる説明ができないので、パニックになるんですよね。

問題集が解けないから、暗記に走ってしまい、それで大学受験合格しても、高校物理が消化不良となります。

私QCプラネッツは工学物理系に入学したけど、高校物理はほとんどできなかったから、大学入学時不安でしたね。でも大学物理の方が簡単なんですよ。改めて高校物理って何だろうと今振り返り、皆が苦労するところを自分の言葉でわかりやすく解説して行きます！

イメージはしやすいですよね！

なるほど！

例題を再掲しますね。

即答できますよね！

こういう違和感が、忘れた頃にふとやってきて、悩み始めます。

この違和感は何？　と深みにはまっていきます。
でも、これを考え抜くことが物理力を高めるので
遠回りでもしっかり考えましょう。

では、種明かしをします！

この理由は、

上の例題をわかりやすい図に書き換えます。

天井に引張るをおもりMでおもりmを引っ張ると考えます。

一方、高校物理は、いきなり、
F=ma
から入るのは、ちゃんと理由があります。

つまり、さっきの例題で表現すると

たしかに、上の図のように静止していない場合、
おもりmの方が重いから、mの方が落下していきますよね。

こうなると、確かに、F=maが必要で、
F=ma=mg-Mg=(m-M)g
という式が正しいですよね。

じゃ、もう一度例題を再再掲しますね。それでも60kgかな？

ここまで読めば、頭の中で整理できますね。皆が混乱するポイントをわかりやすく解決させます！

系	静止系 釣り合っている	動作系 釣り合っていない
ケース	特殊なケースと考える	一般的なケースと考える
力Fの式は	F=ma F=mg-Mg=0 F=maから考える！	F=ma =mg-Mg ≠ 0 F=maから考える！
式の整理をすると	mg=Mg 両辺をgで割って m=M (重さだけの式）	ma=mg-Mg (重さも加速度も必要）
加速度の省略できる？	できる 「力」＝「重さ」 と端折ってよい	できない 力F=ma で考える必要あり
いつ学校で学ぶ？	小中学から 馴染みあり	高校で初めて習うから 馴染みがない
理解しやすい？	理解しやすい	理解しにくい

ポイントは、

確かに、小中学の場合は、力が釣り合うのが前提でその場合の力と呼んでる重さを計算しているに過ぎないんですよね。これを力と重さを混同させた原因でもあり、混同した方が理解しやすいものF=maがわかりにくくしている原因でもあります。

F=maの理由とF=mと混同する理由がばっちり理解できました！

「運動方程式 なぜ力F=maなのかがわかる」を解説しました。