時代の始まり以来、人間は宇宙とその中のすべてが何で構成されているかを理解しようと努めてきました。そして古代の魔術師や哲学者は、地球、空気、水、火(そして金属、または意識)の4つまたは5つの要素で構成される世界を考案しましたが、古代の古代では、すべての問題は実際には小さなもので構成されていたと哲学者は理論化し始めました。見えない、そして見えない原子。
それ以来、科学者たちは原子の継続的な発見のプロセスに従事し、その真の性質と構造を発見することを望んでいます。 20世紀までに、私たちの理解は洗練され、正確なモデルを構築できるようになりました。そして過去10年の間に、私たちの理解はさらに進み、理論化された部品のほとんどすべての存在を確認するようになりました。
今日、原子研究は物質の構造と機能を原子レベルで研究することに焦点を当てています。これは、原子を構成すると考えられるすべての素粒子を特定するだけでなく、それらを支配する力を調査することからなります。これらには、強い核力、弱い核力、電磁気学および重力が含まれます。これは、これまでに原子について学習したすべての内訳です…
原子の構造:
現在の原子モデルは、陽子、中性子、電子の3つの構成要素に分解できます。これらの各部分には関連する電荷があり、陽子は正の電荷を、電子は負の電荷を、中性子は正味の電荷を持ちません。素粒子物理学の標準モデルによれば、陽子と中性子は原子の核を構成し、電子は「雲」の中でそれを周回します。
原子内の電子は、電磁力によって原子核内の陽子に引き付けられます。電子はそれらの軌道から脱出することができますが、適用されている外部エネルギー源に応答した場合のみです。電子の核への軌道が近いほど、引力は大きくなります。したがって、電子を逃がすために必要な外力が強いほどです。
電子は原子核を複数の軌道で周回します。それぞれの軌道は電子の特定のエネルギーレベルに対応しています。電子は、それを新しい量子状態にブーストするのに十分なエネルギーを持つ光子を吸収することによって、その状態をより高いエネルギーレベルに変更できます。同様に、より高いエネルギー状態にある電子は、過剰なエネルギーを光子として放射しながら、より低いエネルギー状態に落ちることができます。
陽子と電子の数が等しい場合、原子は電気的に中性です。不足または過剰な電子を持つ原子は、イオンと呼ばれます。原子核から最も遠い電子は、近くにある他の原子に移動するか、原子間で共有されます。このメカニズムにより、原子は分子や他の種類の化合物に結合することができます。
これらの3つの原子以下の粒子はすべて、フェルミオンであり、自然界では基本(電子)または複合(陽子と中性子)である物質に関連する粒子のクラスです。つまり、電子には既知の内部構造がありませんが、陽子と中性子は他の素粒子で構成されています。クォークと呼ばれる。原子には2つのタイプのクォークがあり、それらは部分的な電荷を持っています。
中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークで構成されていますが、陽子は2つの「アップ」クォーク(それぞれ+2/3の電荷を持つ)と1つの「ダウン」クォーク(-1/3)で構成されています。この違いは、2つの粒子間の電荷の違いを説明します。これは、電荷がそれぞれ+1と0になり、電子は-1の電荷を持ちます。
他の素粒子には、レプトンが含まれ、フェルミオンと結合して物質の構成要素を形成します。現在の原子モデルには、電子、ミュー粒子、タウ粒子、およびそれらに関連するニュートリノの6つのレプトンがあります。レプトン粒子のさまざまな種類は、一般に「フレーバー」と呼ばれ、そのサイズと電荷によって区別されます。これは、それらの電磁相互作用のレベルに影響を与えます。
次に、物理的な力を仲介することから「フォースキャリア」として知られているゲージボソンがあります。たとえば、グルオンはクォークをまとめる強い核力の原因であり、WとZボソン(仮説)は電磁気の背後の弱い核力の原因であると考えられています。光子は光を構成する素粒子であり、ヒッグスボソンはWおよびZボソンに質量を与える役割を担っています。
原子質量:
原子の質量の大部分は、その原子核を構成する陽子と中性子に由来します。電子は、原子を構成する粒子の中で最小の質量であり、質量は9.11 x 10です。-31 現在の手法では測定できないkgとサイズ。陽子の質量は1.6726×10で、電子の1836倍です。-27 kg、中性子は3つの中で最も重いが、1.6929×10-27 kg(電子の質量の1,839倍)。
原子核(「核子」と呼ばれます)内の陽子と中性子の総数は、質量数と呼ばれます。たとえば、12核子(陽子6個と中性子6個)に由来する質量数12を持っているため、要素Carbon-12はそう呼ばれています。ただし、要素も原子番号に基づいて配置されます。これは、原子核で見つかった陽子の数と同じです。この場合、炭素の原子番号は6です。
静止している原子の実際の質量を測定することは非常に困難です。これは、最も重い原子でさえ、従来の単位では表現するには軽すぎるためです。そのため、科学者は統一された原子質量単位(u)(ダルトン(Da)とも呼ばれます)を使用することがよくあります。これは炭素12の自由中性原子の質量の12分の1として定義され、約1.66×10です。-27 kg。
化学者は、常に同じ数の原子(約6.022×1023)。この数は、要素が1 uの原子質量を持っている場合、その要素の原子のモルが1グラムに近い質量を持つように選択されました。統一された原子質量単位の定義により、各炭素12原子の原子質量は正確に12 uであり、1モルの炭素12原子の重量は正確に0.012 kgです。
放射性崩壊:
同じ数のプロトンを持つ2つの原子は、同じ化学元素に属します。しかし、同じ数の陽子を持つ原子は、同じ元素の異なる同位体として定義される異なる数の中性子を持つことができます。これらの同位体は不安定であることが多く、原子番号が82より大きいものはすべて放射性であることが知られています。
元素が崩壊すると、その核は放射線を放出してエネルギーを失います。放射線はアルファ粒子(ヘリウム原子)、ベータ粒子(陽電子)、ガンマ線(高周波電磁エネルギー)、および変換電子で構成されます。不安定な要素が減衰する速度は、「半減期」と呼ばれます。これは、要素が初期値の半分に低下するのに必要な時間です。
同位体の安定性は陽子と中性子の比率に影響されます。地球上で自然に発生する339種類の元素のうち、254(約75%)は「安定同位体」として分類されています。つまり、崩壊の影響を受けません。追加の34の放射性元素は、半減期が8000万年以上あり、初期の太陽系以来存在してきました(そのため、それらは「原始元素」と呼ばれています)。
最後に、追加の51の寿命の短い元素が、他の元素(ウランからのラジウムなど)の崩壊の「娘元素」(核副産物)として自然に発生することが知られています。さらに、寿命の短い放射性元素は、宇宙線の衝撃(たとえば、大気中で発生する炭素14)など、地球上の自然なエネルギープロセスの結果である可能性があります。
研究の歴史:
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、すべての問題は、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。
ダルトンは、なぜ元素が小さい整数の比率で反応するのかという質問から始まり、これらの反応は離散単位の整数倍、つまり原子で発生すると結論付けました。ガスに関する一連の実験を通じて、ダルトンは、現在の物理学および化学の基礎の1つであるダルトンの原子理論として知られるものを開発し続けました。
理論は5つの前提に分類されます。最も純粋な状態の要素は、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、グループのみが変化します。
19世紀後半までに、科学者たちは原子が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。そして1897年、陰極線を使用した一連の実験を通じて、物理学者J.J.トンプソン氏は、水素原子の1000分の1の大きさで、1800分の1軽い原子を発見したと発表した。
彼の実験はまた、それらが光電効果および放射性物質によって放出される粒子と同一であることを示した。その後の実験により、この粒子が金属線と原子内の負電荷を介して電流を運ぶことが明らかになりました。そのため、粒子-もともとは「小体」と呼ばれていました-が、後にジョージジョンストーンストーニーが1874年に予測した後、「電子」に変更されました。
しかし、トムソンはまた、電子が原子全体に分布していると仮定しました。これは、正電荷の均一な海でした。これは「プラムプディングモデル」として知られるようになりましたが、後で間違いが判明します。これは、物理学者のハンスギーガーとアーネストマースデン(アーネストラザフォッドの指揮下)が金属ホイルとアルファ粒子を使用して実験を行った1909年に行われました。
ダルトンの原子モデルと一致して、アルファ粒子はほとんど偏向せずにフォイルをまっすぐに通過すると信じていました。ただし、粒子の多くは90°を超える角度で偏向されました。これを説明するために、ラザフォードは原子の正電荷が中心の小さな核に集中することを提案しました。
1913年、物理学者のNiels Bohrは、電子が原子核を周回するモデルを提案しましたが、そうすることができるのは有限の軌道セットでのみでした。彼はまた、電子が軌道間をジャンプできるが、光子の吸収または放射に対応するエネルギーの離散的な変化においてのみ可能であると提案した。これは、ラザフォードの提案されたモデルを洗練しただけでなく、量子化された原子の概念を生み出しました。
イオンビームの軌道を曲げるために磁石を使用する質量分析計の開発により、原子の質量をより高い精度で測定できるようになりました。化学者のフランシスウィリアムアストンはこの装置を使用して、同位体の質量が異なることを示しました。これに続いて、1932年に同位体の存在を説明する方法として中性子を提案した物理学者ジェームズチャドウィックが続きました。
20世紀初頭を通じて、原子の量子的性質はさらに発展しました。 1922年、ドイツの物理学者であるオットーシュテルンとワルターゲルラッハは、銀の原子のビームを磁場に向ける実験を行いました。磁場は、ビームを原子の角運動量(またはスピン)の方向に分割することを目的としています。
シュテルン・ゲルラッハ実験として知られている結果は、原子のスピンが上向きか下向きかによって、ビームが2つの部分に分割されるという結果でした。 1926年、物理学者アーウィンシュレディンガーは、波のように振る舞う粒子のアイデアを使用して、電子を単なる粒子ではなく3次元波形として記述する数学モデルを開発しました。
粒子を記述するために波形を使用した結果、任意の時点での粒子の位置と運動量の両方の正確な値を取得することは数学的に不可能です。その同じ年、ヴェルナーハイゼンベルクはこの問題を定式化し、それを「不確実性原理」と呼んだ。ハイゼンベルグによれば、与えられた正確な位置測定では、運動量の推定値の範囲のみを取得でき、その逆も同様です。
1930年代、物理学者はオットーハーン、リーゼマイトナー、オットーフリッシュの実験のおかげで核分裂を発見しました。ハーンの実験では、超ウラン元素を作ることを期待して、中性子をウラン原子に向けました。代わりに、プロセスは彼のウラン-92のサンプルを変えました(Ur92)2つの新しい要素–バリウム(B56)とクリプトン(Kr27).
MeitnerとFrischは実験を検証し、ウラン原子が分裂して同じ総原子量を持つ2つの元素を形成したことに起因し、これもまた原子結合を破壊することによってかなりの量のエネルギーを放出したプロセスです。その後の年に、このプロセスの可能な兵器化(すなわち核兵器)の研究が始まり、1945年までに米国で最初の原子爆弾が建設されました。
1950年代、改良された粒子加速器と粒子検出器の開発により、科学者は高エネルギーで移動する原子の影響を研究することができました。これから、粒子物理学の標準モデルが開発されました。これは、これまでのところ、核の特性、理論化された亜原子粒子の存在、およびそれらの相互作用を支配する力をうまく説明しています。
現代の実験:
20世紀の後半以来、原子理論と量子力学に関して、多くの新しくエキサイティングな発見がありました。たとえば、2012年、ヒッグスボソンの長期にわたる調査により、スイスの欧州原子核研究機構(CERN)で働いている研究者がその発見を発表したという画期的な結果がもたらされました。
ここ数十年の間に、物理学者は統一された場の理論(大統一理論またはすべての理論)の開発に多大な時間とエネルギーを費やしてきました。基本的に、標準モデルが最初に提案されて以来、科学者は宇宙の4つの基本的な力(重力、強い核力と弱い核力、電磁気)がどのように連携するかを理解しようと努めてきました。
重力はアインシュタインの相対性理論を使用して理解できますが、核力と電磁気学は量子論を使用して理解できますが、どちらの理論も4つすべての力が一緒に働くことを説明できません。これを解決しようとする試みは、ストリング理論からループ量子重力に至るまで、長年にわたって多くの提案された理論につながっています。今日まで、これらの理論のいずれも画期的な結果をもたらしていません。
原子についての私たちの理解は、他の原子と機械的に相互作用する不活性固体として見た古典的なモデルから、原子が予測できない動作をするエネルギー粒子で構成される現代の理論まで、長い道のりを歩んできました。それは数千年を要しましたが、すべての問題の基本的な構造に関する私たちの知識はかなり進歩しました。
それでも、まだ解決されていない多くの謎が残っています。時間と継続的な努力により、最後に残った原子の秘密を解き明かすことができます。繰り返しになりますが、私たちが新たに発見したことは、より多くの質問を引き起こすだけであり、以前の問題よりもさらに混乱する可能性があります。
私たちはスペースマガジンのアトムについて多くの記事を書きました。ジョンダルトンの原子モデル、ニールズボーアの原子モデル、誰がデモクリトスでしたか、そして宇宙にはいくつの原子がありますか?
原子に関する詳細情報が必要な場合は、NASAの「小さなサンプルの分析」の記事をご覧ください。ここには、原子、元素、および同位体に関するNASAの記事へのリンクがあります。
また、Atomに関するすべてのAstronomy Castのエピソード全体を録音しました。ここで、エピソード164:原子の内部、エピソード263:放射性崩壊、およびエピソード394:標準モデル、ボソンを聞いてください。