【重要】高校物理から原子構造が解明できる

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。

リンク

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。

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「【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。