ボーアの原子モデルとは？

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原子論は過去数千年の間に長い道のりを歩んできました。互いに機械的に相互作用する不可分な「小体」のデモクリトス理論によるBCE 5世紀から始まり、18世紀にはダルトンの原子モデルに移り、20世紀には亜原子粒子と量子理論の発見によって成熟します。発見の旅は長く、曲がりくねっています。

間違いなく、その過程で最も重要なマイルストーンの1つはボーアの原子モデルであり、ラザフォードボーア原子モデルと呼ばれることもあります。 1913年にデンマークの物理学者ニールスボーアによって提案されたこのモデルは、中心を中心とする円軌道（エネルギーレベルで定義される）を移動する電子に囲まれた小さな正に帯電した原子核として原子を描きます。

19世紀までの原子論：

原子理論の最も初期の既知の例は、古代ギリシャとインドに由来します。デモクリトスなどの哲学者は、すべての物質は、小さく分割不可能な単位で構成されていると仮定しました。「原子」という用語は古代ギリシャで作られたものであり、「原子論」として知られる学派を生み出しました。しかし、この理論は科学的なものというよりも哲学的な概念でした。

原子の理論が科学的な問題として明確になり、証拠に基づく最初の実験が行われたのは、19世紀まででした。たとえば、1800年代初頭、イギリスの科学者であるジョンダルトンは、原子の概念を使用して、化学元素が特定の観察可能な予測可能な方法で反応する理由を説明しました。ガスを含む一連の実験を通じて、ダルトンはダルトンの原子理論として知られているものを発展させました。

この理論は、質量と明確な比率の会話の法則を拡張し、5つの前提に達しました。要素は、最も純粋な状態では、原子と呼ばれる粒子で構成されます。特定の要素の原子は、最後の原子まですべて同じです。異なる元素の原子は、その原子量によって区別できます。元素の原子が合体して化合物を形成する;原子は化学反応で作成したり破壊したりすることはできず、グループが変わるだけです。

電子の発見：

19世紀後半までに、科学者たちはまた、原子は複数の基本単位で構成されていると理論化し始めました。しかし、ほとんどの科学者は、この単位が最小の既知の原子-水素のサイズであると冒険しました。 19世紀の終わりまでに、ジョセフジョントムソン卿などの科学者が実施した研究のおかげで、これは劇的に変化します。

トムソンは、陰極線管（Crookes ’Tubeとして知られています）を使用した一連の実験を通じて、電界と磁場によって陰極線が偏向する可能性があることを観察しました。彼は、光で構成されるのではなく、水素よりも1000倍小さく、1800倍軽い負に帯電した粒子で構成されていると結論付けました。

これは、水素原子が物質の最小単位であるという考えを事実上反証し、トンプソンはさらに、原子が分割可能であると示唆した。正と負の両方の電荷で構成される原子の全体的な電荷を説明するために、トンプソンは、負に帯電した「小体」が正電荷の均一な海に分布するモデルを提案しました。これはプラムプディングモデルとして知られています。

これらの小体は、1874年にアングロアイリッシュの物理学者ジョージジョンストーンストーニーによって予測された理論上の粒子に基づいて、後で「電子」と名付けられました。そして、このことから、プラムプディングモデルが誕生しました。梅ケーキとレーズン。このコンセプトは、英国の1904年3月版で世界に紹介されました。 哲学雑誌、 絶賛する。

ラザフォードモデル：

その後の実験により、プラムプディングモデルに多くの科学的な問題が明らかになりました。まず、原子が均一な正のバックグラウンド電荷を持っていることを示す問題があり、これは「トムソン問題」として知られるようになりました。 5年後、このモデルは、アルファ粒子と金箔（別名）を使用して一連の実験を行ったハンスガイガーとアーネストマースデンによって反証されます。「金箔実験」。

この実験では、ガイガーとマースデンがアルファ粒子の散乱パターンを蛍光スクリーンで測定しました。トムソンのモデルが正しければ、アルファ粒子は妨げられることなく箔の原子構造を通過します。しかし、彼らは代わりに、ほとんどが真っ直ぐに撃たれたが、それらのいくつかは様々な方向に散らばっていて、いくつかは光源の方向に戻っていたと述べた。

ガイガーとマースデンは、粒子がトムソンのモデルで許容されるよりもはるかに大きな静電力に遭遇したと結論付けました。アルファ粒子はヘリウム原子核（正に帯電している）にすぎないため、これは原子の正の電荷が広く分散しておらず、小さな体積に集中していることを意味していました。さらに、偏向されなかった粒子が妨げられずに通過したという事実は、これらのポジティブスペースが空の巨大な湾によって隔てられていたことを意味します。

1911年までに、物理学者アーネストラザフォードはガイガーマースデン実験を解釈し、トムソンの原子モデルを拒否しました。代わりに、彼は原子がほとんど空の空間で構成され、正の電荷がすべて電子雲に囲まれた非常に小さな体積の中心に集中するモデルを提案しました。これは、原子のラザフォードモデルとして知られるようになりました。

ボーアモデル：

Antonius Van den BroekとNiels Bohrによるその後の実験により、モデルはさらに洗練されました。ヴァンデンブロークは元素の原子番号はその核電荷に非常に類似していると提案しましたが、後者は原子の太陽系のようなモデルを提案しました。核は正電荷の原子番号を含み、軌道殻の電子数（別名ボーア模型）。

さらに、ボーアのモデルは、問題のあるラザフォードモデルの特定の要素を改善しました。これらには、電子が核を周回する間に電磁放射を放出するであろうと予測する古典力学から生じる問題が含まれていました。エネルギーの損失のために、電子は急速に内側にらせん状になり、核に崩壊するはずです。つまり、この原子モデルはすべての原子が不安定であることを暗示していました。

モデルはまた、電子が内側に螺旋を描くと、軌道がより小さく、より速くなるにつれて、それらの放出が周波数において急速に増加するであろうと予測しました。しかし、19世紀後半の放電実験では、原子が特定の離散周波数でのみ電磁エネルギーを放出することが示されました。

ボーアはこれを解決するために、電子がプランクの放射の量子論と一致する方法で原子核を周回することを提案しました。このモデルでは、電子は特定のエネルギーを持つ特定の許容軌道のみを占有できます。さらに、それらは、許容される軌道から別の軌道にジャンプし、その過程で電磁放射を吸収または放出することによってのみ、エネルギーを獲得および損失することができます。

これらの軌道は明確なエネルギーに関連付けられていました。 エネルギー弾 または エネルギーレベル。つまり、原子内の電子のエネルギーは連続的ではなく、「量子化」されています。したがって、これらのレベルは量子数でラベル付けされますん (n = 1、2、3など）彼は主張しているRyberg式を使用して決定することができます–多くの化学元素のスペクトル線の波長を記述するためにスウェーデンの物理学者ヨハネスRybergによって1888年に策定された規則。

ボーア模型の影響：

ボーアのモデルは、いくつかの点で画期的なものであることが判明しましたが、ライバーグの定数とプランクの定数（別名、量子論）をラザフォードモデルとマージしましたが、後の実験で示されるいくつかの欠陥がありました。手始めに、それは電子が既知の半径と軌道の両方を持っていると仮定しました、それはWerner Heisenbergが彼の不確実性原理で10年後に反証するものです。

さらに、水素原子の電子の挙動を予測するのに役立ちましたが、ボーアのモデルはより大きな原子のスペクトルを予測するのに特に役立ちませんでした。原子に複数の電子があるこれらの場合、エネルギーレベルはボーアの予測と一致しませんでした。また、モデルは中性ヘリウム原子では機能しませんでした。

ボーアモデルは、ゼーマン効果、1902年にオランダの物理学者ピーターゼーマンによって指摘された、外部の静磁場の存在下でスペクトル線が2つ以上に分割される現象を説明することもできませんでした。このため、ボーアの原子モデルでいくつかの改良が試みられましたが、これらにも問題があることが判明しました。

結局、これはボーアのモデルが量子理論に取って代わられることになるでしょう。ハイゼンベルクとアーウィンシュレディンガーの研究と一致しています。それにもかかわらず、ボーアのモデルは、量子力学や原子価殻原子モデルなどのより現代的な理論を学生に紹介するための教育ツールとして引き続き有用です。

また、「電子雲」、素粒子、および不確実性を特徴とするモデルである素粒子物理学の標準モデルの開発における主要なマイルストーンであることが証明されます。

私たちはここSpace Magazineで原子理論に関する多くの興味深い記事を書いています。ジョンダルトンの原子モデル、プラムプディングモデルとは何ですか、電子雲モデルとは何ですか、デモクリトスとは誰か、そしてアトムのパーツは何ですか？

天文学キャストには、主題に関するいくつかのエピソードもあります：エピソード138：量子力学、エピソード139：エネルギーレベルとスペクトル、エピソード378：ラザフォードと原子とエピソード392：標準モデル–イントロ。

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