導入
原子(古代ギリシャ語 ἄτομος [アトモス]、「分割できないもの」) は、他の原子と化学的に結合できる単純な物体の最小部分です。原子論は、（無限に分割可能な物質という考えに反対して）分割できない「粒子」から構成される物質という考えを支持するもので、古代から知られており、特に古代の哲学者デモクリトスによって擁護されました。古代ギリシャ。 19世紀の終わりまでは論争がありましたが、 21世紀ではもはやほとんど論争の対象ではありません。特に現代の物質科学はこの原子の概念に基づいています。しかし、 20世紀初頭に核物理学実験によってその構造が明らかにされて以来、原子はもはや分割できない物質の粒子とは考えられていません。
原子は、その質量の 99.9% 以上が集中した原子核で構成され、その周囲に電子が分散して原子核自体の 40,000 倍の大きさの雲を形成します。後者は、正に帯電した陽子と電気的に中性の中性子で構成されます。水素は例外で、プロチウムと呼ばれるその同位体1Hの原子核には中性子が含まれていません。電子は電磁力を介して原子核と相互作用する原子軌道を占めますが、核子は核結合によって原子核内に保持されており、これは強い核相互作用の現れです。電子雲は、電子層と副層を定義するコアの周りの量子化されたエネルギーレベルに層化されます。核子は核層にも分布しますが、かなり便利な近似モデルが液滴モデルに従った核構造を普及させています。
いくつかの原子は、電子のおかげで互いに化学結合を確立できます。一般的に、原子の化学的性質は、原子核内の陽子の数から生じる電子配置によって決まります。この番号は原子番号と呼ばれ、化学元素を定義します。
構造
桁違いに大きい
「自由」原子 (共有結合または結晶結合を除く) の推定直径は、ヘリウムの場合は 62 pm (6.2×10 -11 m)、セシウムの場合は 596 pm (5.96×10 -10 m) の間ですが、原子核の直径は同位体1 H の場合は 2.4 fm (2.4×10 -15 m) と核種238 U の場合は約 14.8 fm (1.48×10 -14 m) の間です。したがって、水素原子の核は水素の約 40,000 分の 1 です。原子そのもの。
しかし、原子核は原子の質量の大部分を集中させます。たとえば、リチウム7 の原子核は、それを取り囲む 3 つの電子より約 43,000 倍の質量があり、 7 Li の原子自体の質量は 1000 倍程度です。 1.172×10 -26kg 。参考までに、原子の質量はプロチウムの場合は 1.674×10 -27 kg、ウラン 238の場合は 3.953×10 -25 kg であり、自然環境中にかなり豊富に存在する同位体に付着しています (より重い原子核が存在します)。しかし、核種238 U よりもはるかに不安定です)。
この質量は一般に原子質量単位 (「amu」または「u」) で表され、基底状態にある結合していない12 C 原子の質量の 12 番目の部分として定義されます。つまり、1 ama = 1, 66054×10 -27 kg;この単位では、核種238 U の質量は 238.0507826 amu です。素粒子物理学でも広く使用されている代替単位は、電子ボルトを光速の二乗で割ったもの (eV/c 2 ) です。これは、特殊相対性理論の有名な方程式E = mc 2により質量に対して均一です。これは 1 eV/c 2 = 1.783×10 -36 kg に相当します。このユニットでは、 238 U 原子核の質量は 221.7 GeV/c 2に等しい。
原子は、サイズと質量が特異的に減少しているため、大量の巨視的物質が操作されるとすぐに、常に非常に多数の状態になります。したがって、モルは、12 g の炭素12 に含まれる原子と同数の基本単位 (原子、分子、電子など)、つまり 6.022×10 23以上の基本単位で構成される物質の量として定義されます。私たちがアボガドロ数と呼ぶもの。
亜原子粒子
語源は古代ギリシャ語で「壊れない」を意味しますが、原子は実際には小さな素粒子から構成されているため、分割することができます。しかし、それは確かに、化学元素そのものの不可分な最小単位を構成しています。たとえば、ヘリウム原子を破壊すると、電子、陽子、中性子が得られますが、ヘリウムの性質を備えた単純な体はもう存在しません。 。
- e –電子は、-1.602×10 -19 C の負の電荷を持つ非常に低質量の粒子 (9.1094×10 -31 kg、または 511.00 keV/c 2 ) です。
- 中性子 n 0は電子の 1,838.5 倍（1.6749×10 -27 kg、または 939.57 MeV/c 2 ）の質量があり、電気的に中性です。
素粒子物理学の標準モデルでは、核子をクォークと呼ばれる素粒子から構成されるバリオンとして説明します。
- 陽子は 2 つのアップ クォークと 1 つのダウンクォークで構成されています: p + = uud。
- 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ます: n 0 = udd。
電子はレプトンであり、クォークとともにフェルミ粒子のグループを構成します。クォークとレプトンの大きな違いは、前者のみが強力な核相互作用を含むすべての基本相互作用を経験し、その媒介物はグルーオンと呼ばれるゲージボソンであることです。レプトンは、弱い相互作用（Z 0および W ±ボソンを介した）と電磁相互作用（光子を介した）のみを経験します。
これらの粒子はすべて、先験的に重力相互作用も経験しますが、後者はまだ素粒子物理学の標準モデルに統合できていません。原子スケールでのその強度は、いずれにしても、他の 3 つの相互作用の強度と比較すると重要ではありません。
電子クラウド
原子の物理的および化学的特性のほとんどは、その電子雲によるものです。この電子雲の性質と構造を理解することで、原子自体の構造を理解する道が開かれ、最終的には素粒子物理学の発展につながりました。
原子核はプラスに帯電しているため、マイナスに帯電している電子のポテンシャル井戸を形成します。このポテンシャル井戸は、量子数によって定義されるエネルギー準位で構成され、その組み合わせによって原子軌道が決まり、対応する波動関数の特徴的な寸法と形状が得られます。
シュレディンガーモデルの概要
電子は、他の量子物体と同様に波動粒子の二重性を示し、そのおかげで、ある時は幾何学的に区切られた一定の位置を占める粒子のように、またある時は例えば干渉現象を示す波のように振る舞います。シュレディンガー モデルは専ら波動的なものですが、電子のこれら 2 つの側面は原子内に共存します。
- 電子は、原子の周りの定義された軌道上の正確な位置に位置することは決してありませんが、その波動関数のノルムの二乗に等しい存在確率で原子軌道内に分布し、その量子状態とも相関します。電子の位相と同様に、これは波の側面です。
したがって、電子は、物体が地面に落ちるように「原子核に落ちる」ことはできません。これは、その波動関数の空間的広がりが点に縮小されることを意味するためです。これは、シュレーディンガーの適切な機能がない場合には当てはまりません。方程式: 後者は、逆に、原子核の近くにある電子が、この方程式を満たす量子数によって決定される幾何学的形状を持つ体積(軌道) 内で「希釈」されることを課します。したがって、原子内の電子はすでに原子核上に落ちており、静電ポテンシャル井戸によって原子核の近くに閉じ込められていると考えることができます。
さらに、原子核内での電子の波動関数は、存在する確率は低いものの、ゼロではありません（原子核は原子軌道に比べて非常に小さい）。原子核の中心にある原子の電子の考えられる波動関数は、したがって、電子は実際には原子核に落ちたと言えますが、そこにはほとんど存在しません。量子の観点から見ると、いくつかの粒子が存在します。実際、波の性質により同じ空間を占めることができます。絵に描いたような、しかし近似的なものの見方は、電子の波動関数が原子核によって「回折」され、その量子状態に応じて異なる形状を与えることを類推して想像することです。電子が存在する確率は、核から多かれ少なかれ離れた特定のゾーンで最大に達します。通常、核半径の数万倍です。
パウリの排除原則
原子内の各電子は、シュレーディンガー方程式を満たす量子数の 4 つ組 ( n 、 l 、 m 、 s ) によって記述され、それぞれ次のように呼ばれます。
パウリの排他原理は、同じフェルミオン系 (ここでは同じ原子) に属する 2 つのフェルミ粒子が、同時にすべての量子数を等しくすることはできないと述べています。この原理は、原子の電子配置の起源にあるため、基本的です。原子内で「積み重なる」電子は、それぞれ他の電子とは異なる量子状態を持たなければなりません。これが、すべての原子軌道が原子軌道から次第に占有される理由を説明します。電子が原子に追加されるにつれて、最も多く結合しているものから最も原子核に結合していないものまで。これは、クレチコフスキー則によって具体化されたアウフバウ(ドイツ語で「教育」) の原理であり、ブロックと周期での化学元素の周期表の配置の基礎となっています。
下塗り1秒 1量子電池→ 2 電子 →第1期の2要素 下塗り2秒 1 量子電池 → 2 電子 下敷き2P 3つの量子箱 → 6つの電子 →第2期8要素 下塗り3秒 1 量子電池 → 2 電子 3P下敷き 3つの量子箱 → 6つの電子 →第3期8要素 下塗り4秒 1 量子電池 → 2 電子 3Dアンダーレイ 5つの量子箱 → 10電子 下敷き4p 3つの量子箱 → 6つの電子 →第4期18要素 下塗り5秒 1 量子電池 → 2 電子 4Dアンダーレイ 5つの量子箱 → 10個の電子 下敷き5p 3つの量子箱 → 6つの電子 →第5期18要素 下塗り6秒 1 量子電池 → 2 電子 下敷き4f 7つの量子箱 → 14個の電子 5D下敷き 5つの量子箱 → 10個の電子 下敷き6p 3つの量子箱 → 6つの電子 →第6期32要素 下塗り7秒 1 量子電池 → 2 電子 下塗り5f 7つの量子箱 → 14個の電子 6D下敷き 5つの量子箱 → 10個の電子 下敷き7p 3つの量子箱 → 6つの電子 →第7期32要素
分子軌道
その電子構造により、原子に化学的および磁気的特性が与えられます。したがって、化学元素は一般に、その化学的特性に従って整理された周期表に分類され、その配置は実際には原子のエネルギー準位にわたる電子の分布によって決定されます。
それぞれ別の原子に属する 2 つの原子軌道が重なると、2 つの原子間の化学結合を構成する分子軌道が形成されることがあります。重なり合う原子軌道が同じ原子に属している場合、混成があると言います。
分子軌道は、原子軌道の電子位相が同じ符号を持つ場合 (強め合う干渉) 、結合していると言われます。原子軌道に反対符号の位相がある場合 (相殺的干渉)、それを反結合と呼びます。
原子核
陽子と中性子はフェムトメートル寸法の原子核を形成します。質量数がAの原子の核半径はおよそ
原子核の形状は一般的に球形ですが、十分に大きく安定した原子核の中には、ラグビー ボールのように引き伸ばされた回転楕円体や、逆に平らな形状をとるものもあります。ハロー核と呼ばれる特定の不安定な核は、非常に拡張した波動関数を持つ 1 つまたは複数の核子によって特徴づけられ、核の輪郭がぼやけ、見かけの体積が非常に大きくなります。これらの核は、強い相互作用の作用場の極限で核凝集力を持っています。
液滴モデルでは、陽子は互いに反発する傾向があるため、原子核の外側（回転楕円体の場合は「極」または「赤道」）に集中する傾向がありますが、中性子は原子核の内側に蓄積する傾向があります。核の中心。原子核の性質と構造に関する実験データを説明するために数十のモデルが提案されていますが、これまでのところ、すべての観察を説明するには単独で十分なものはありません。
電子線回折技術によって実験的に推定された核の体積は、一定の核密度をもつ核子を表す硬い球の積み重ねにほぼ対応しており、これは液滴モデルで非常によく概念化されています。しかし、核構造の特定の量子特性は、この進歩により 1963 年にノーベル物理学賞を受賞したドイツの物理学者マリア・ゲッパート・マイヤーとハンス・ダニエル・イェンセンによって開発された層モデルによってよりよく記述されるようです。彼らのモデルでは、核子は、原子スケールの電子と同様に、パウリの排他原理に従うフェルミ粒子であり、量子化されたエネルギーレベル（「核層」）に分布していると考えられています。原子核では、陽子と中性子は、パウリの排他原理に従って、フェルミ粒子の 2 つの異なる集団を構成します。
ただし、電子との類似には限界があります。電子が電磁相互作用を介して相互作用する場合、および核子と相互作用する場合、核子は主に強い核相互作用と弱い相互作用を介して相互作用するためです。したがって、原子核内のエネルギー準位は、原子の電子のエネルギー準位とは異なる分布を持ちます。さらに、スピン軌道結合現象は電子よりも核子の方がはるかに敏感であり、核のサブシェルがスピンの関数として再分布されます (以下の表では添え字として示されています)。
下塗り1秒1/2 2つの州 → 1層目：マジックナンバー＝2 下敷き1p 3/2 4つの州 下敷き1p 1/2 2つの州 → 2層目：マジックナンバー＝8 下敷き1 d 5/2 6つの州 下敷き2 1/2秒 2つの州 下敷き1 d 3/2 4つの州 → 3層目：マジックナンバー＝20 下塗り1 f 7/2 8つの州 → 4層目：マジックナンバー＝28 下敷き1p 3/2 4つの州 下地1f5 / 2 6つの州 下敷き2p 1/2 2つの州 下塗り剤1g 9/2 10州 → 5層目：マジックナンバー＝50 下塗り剤1g 7/2 8つの州 下敷き2 d 5/2 6つの州 下敷き2 d 3/2 4つの州 下塗り3秒1/2 2つの州 下塗り1時間半 12の州 → 6層目：マジックナンバー＝82 下塗り1時間9/2 10州 下敷き2 f 7/2 8つの州 下地2 f 5/2 6つの州 下敷き3p 3/2 4つの州 下敷き3p 1/2 2つの州 下敷き1 × 13/2 14の州 → 7層目：マジックナンバー＝126 下塗り剤2g 9/2 10州 下敷き3 d 5/2 6つの州 下敷き1 i 11/2 12の州 下塗り剤2g 7/2 8つの州 下敷き4 s 1/2 2つの州 下敷き3 d 3/2 4つの州 下塗り1日15/2 16の州 → 8層目：マジックナンバー＝184
核層の飽和は、液滴モデルから得られるワイツゼッカーの公式で計算されるものよりも大きな安定性を原子核に与えます。これは、周囲の電子副層pの飽和によって特徴付けられる希ガスの化学慣性を彷彿とさせます。核層の飽和に相当する特定の集団内の核子の数は「マジックナンバー」と呼ばれます。安定同位体の中で最も重い鉛 208の原子核は、82 個の陽子と 126 個の中性子で構成されています。82 と 126 は 2 つの魔法の数であり、この核種が異なるだけの核種と比べて安定していることを説明しています。核子は 1 つまたは 2 つです。