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基礎化学１
•原子の発見の歴史•原子を構成する粒子
原子の構造
共通化学 幡野明彦
2010年10月9日土曜日
今日の授業
• 原子の構造
• 歴史的な発見の課程
• 放射化学と原子構造
• 同位体＆同素体
2010年10月9日土曜日
化学の始まり
2010年10月9日土曜日
化学の始まり
錬金術（れんきんじゅつ、Alchemy）とは、金属に限らず様々な物質や、人間の肉体や魂をも対象として、それらをより完全な存在に錬成する試みを指す。錬金術の試行の過程で、硫酸・硝酸・塩酸など、現在の化学薬品の発見が多くなされ、実験道具が発明された。その成果は現在の化学 (Chemistry) に引き継がれている
化学（かがく、Chemistry）とは、原子・分子を物質の構成要素と考え、物質の構造・性質・反応を研究する自然科学の一分野である。
2010年10月9日土曜日
物質（混合物，純物質）
物質
混合物（複数の純物質が混合）
純物質
単体
化合物無機化合物
有機化合物
金属元素単体
非金属元素単体
2010年10月9日土曜日
化合物と単体（同素体）化合物：2種類以上の元素からできている物質のこと。
例えば、水 (H2O) は水素原子 (H) 2個と酸素原子 (O) 1個からなる化合物である。成分元素の質量比はつねに一定である。これを定比例の法則という。
単体：1種類の元素だけからできている純物質。酸素 (O2) とオゾン (O3)、あるいは赤リンと黄リンのように、同じ元素からできた
単体であっても異なる性質を持つ場合もある。このような関係の物質を特に同素体
2010年10月9日土曜日
元素とは？元素（げんそ）とは化学物質を構成する基礎的な成分（要素）である。
2010年10月9日土曜日
問題：元素はどのようにして生じたのか？
2010年10月9日土曜日
問題：元素はどのようにして生じたのか？
核融合：太陽などの恒星内で起こり，重い元素ができ，化合物になる．超新星爆発で宇宙空間に広がり，重力場の片寄った場所に集まり，星ができる．
2010年10月9日土曜日
元素戦略プロジェクト
「希少金属代替材料開発プロジェクト」（経済産業省実施事業） インジウム、ディスプロシウム、タングステン等の希少金属については、これからの成長分野である情報家電、ロボット、電池等の新たな産業分野の拡大により 需要が増大する見込みです。しかし、特定産出国への依存度が高いため，供給リスクを伴う。そこで、本プロジェクトでは、非鉄金属資源の安定供給確保に向けた戦略の一部として代替／使用 量低減技術を開発します。
「元素戦略プロジェクト」（文部科学省実施事業） 希少元素や有害元素を使うことなく、高い機能をもった物質・材料を開発することを目的とします。（ア）豊富で無害な元素による代替材料の研究、（イ）戦略元素の有効機能の高度活用、（ウ）元素有効利用のための実用材料設計技術、という研究の切り口が考えられます。
2010年10月9日土曜日
エレメントハンターNHK教育テレビ毎週土曜日 PM6時
2010年10月9日土曜日
元素と原子の違いは？原子は構造的な概念
元素は特性の違いを示
す概念
（元素は原子の種類を表すがそれは原子核の違い、すなわち核種の違いのうち陽子の数の違いによる分類である。）
2010年10月9日土曜日
質量数と同位体原子核を構成する陽子および中性子の総数により質量数が異なり、陽子の数により原子番号が異なる。
原子番号が1の軽水素原子、重水素原子、三重水素原子はいずれも同じ元素であ
る水素に属するが質量数が異なる同位体と呼ばれるグループを形成する。
2010年10月9日土曜日
原子量原子量とは、原子の相対的な質量を表す。
質量数12の炭素原子である12C（炭素12）1個の質量を12.0000と定めた場合の他の元素の質量比である。
例：塩素の原子量は35.45．35Cl・・・・・約75.8%，37Cl・・・・・約24.2%
35×0.758＋37×0.242=26.53+8.954=35.48
多くの元素では、質量数の異なる原子（同位体）が存在し、存在比率もまちまちなためである。
2010年10月9日土曜日
原子の構造原子の構造
2010年10月9日土曜日
ボーアの原子模型
原子の構造核外：電子核内：陽子 中性子
2010年10月9日土曜日
原子の発見
「物質」が、「極めて小さく不変の粒子」から成り立つという仮説・概念は紀元前400年ごろの古代ギリシアの哲学者、レウキッポスやデモクリトスに存在した。だが、この考えは当時あまり評価されたとは言えず、その後およそ二千年ほど間、大半の人々から忘れ去られていた。
レウキッポス
原子論の基礎
デモクリトス｢いかなることも偶然によって起こりえない｣
古代ギリシアの哲学者
アトムを万物の起源として想定
これ以上分割できない根源的なもの
2010年10月9日土曜日
原子の発見
ファラデー 電気分解についての考察から原子とはまた別に電気的な粒が存在するかもしれない（原子の内部構造）19世紀
アリストテレス 原子論 atomism の否定（科学の発展を遅らせた人物とも言われている）
ドルトン化学的現象の説明として原子説（18世紀）
2010年10月9日土曜日
原子の構造の発見トムソンの実験（陰極線）と電子の発見
クルックス管の模式図 横倒しになった三角錐状のガラス管がクルックス管である。Cは陰極、Mはマスク、Pは陽極であり、蛍光体が塗布されている。
クルックス管を駆動すると、マスクの「影」が陽極に浮かび上がる。負の電荷を帯びた粒子が放出されたためこのような現象が起きるとクルックスは考えた。
2010年10月9日土曜日
核分裂と原子構造
• α線：ヘリウム原子核• β線：電子（or 陽電子）• γ線：波長10pmよりも短い電磁波
研究
原子が壊れたときに出てくる物質の性質（正電荷，負電荷，透過距離など）を調べ，原子がなんで構成されているかを調べた．
放射性崩壊（radioactive decay）は、不安定な原子核（放射性同位体）が様々な相互作用によって状態を変化させる現象である。
2010年10月9日土曜日
核分裂と原子構造アルファ粒子
高い運動エネルギーを持つヘリウム原子核である。
陽子2個
中性子2個
ヘリウムの2価陽イオンとして He2+（より厳密には 4He2+ ）と表される。
アルファ線は紙1枚程度で遮蔽できる。
発見者：アーネスト・ラザフォード
2010年10月9日土曜日
核分裂と原子構造
β線放射線の一種で、その実体は電子または陽電子。
質量数を変えることなく、陽子・中性子の変換が行われる反応の総称で、β-崩壊（陰電子崩壊）、β+崩壊（陽電子崩壊）
発見者：アーネスト・ラザフォード
2010年10月9日土曜日
21
ガンマ線
放射線の一種。その実体は、波長がおよそ10pmよりも短い電磁波である。それぞれの崩壊を終えた直後の原子核には過剰なエネルギーが残存するため、電磁波（ガンマ線）を放つことにより安定化をしようとする反応
核分裂と原子構造
2010年10月9日土曜日
原子の構造
• プラム・プディング・モデル 1904年3月にトムソンが発表した原子モデル。 正に帯電した「スープ」の中に、負の電荷を持つ電子が埋まっている。 当時はまだ原子核の存在は知られていなかった。
トムソンのプラム・プディング・モデル
2010年10月9日土曜日
原子の構造 • 長岡半太郎の土星モデル
1904年に長岡（長崎）は、中央に正電荷を帯びた原子核があり、その周りを電子が回っている土星型の原子モデルを提唱．電子が加速度運動しているにもかかわらず、電磁波を放射してエネルギーを失うことなく原子核の周りを回っていられる理由を厳密に説明できなかった
2010年10月9日土曜日
原子の構造
原子核： 「陽子」「中性子」
原子は原子核の周りを電子が飛んでいる．
• ラザフォードの原子模型
アーネスト・ラザフォード
2010年10月9日土曜日
原子の構造
実験： アルファ線を金の原子と衝突させる．観察： どのように散乱するか？結果： 正電荷同士の強い電気的斥力が働いて軌道が大きく曲げられる。
• ラザフォードの実験
2010年10月9日土曜日
原子の構造
実験： アルファ線を金の原子と衝突させる．観察： どのように散乱するか？結果： 正電荷同士の強い電気的斥力が働いて軌道が大きく曲げられる。
• ラザフォードの実験
2010年10月9日土曜日
原子の構造
実験： アルファ線を金の原子と衝突させる．観察： どのように散乱するか？結果： 正電荷同士の強い電気的斥力が働いて軌道が大きく曲げられる。
• ラザフォードの実験
トムソンのモデルなら、入射したアルファ粒子は直進するか、わずかに方向が変化するだけであるはず．
ラザフォードの実験によると、軌道が90度以上それる後方散乱が観察された．
原子内の正電荷がごく小さい領域に集中している、つまり原子核が存在
2010年10月9日土曜日
原子の構造
電子の振る舞い
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
ヤングの実験（1801年）2重のスリットに単色光を通すと、波の回折と干渉により、スクリーン上に明暗の縞模様（干渉縞）ができる。（電子を粒子として考えると理解できない）
白色光
レーザー光
赤色光
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
光が E=hν=hc/λ（h:プランク定数 ν:振動数 c:光速 λ:波長）
のエネルギーを持つ粒子であると考えた．アインシュタインは、光の粒子を光子（または光量子）と呼んだ．
アインシュタインの光量子説（1905年）
2010年10月9日土曜日
原子の構造
ヤングの実験 ------> 光は波動性で説明。
光電効果 ------> 光は粒子性で説明。
波動性と粒子性
上の２つの実験結果より、光は
「波動性を持つ粒子」出あることがわかった．
太陽光発電の基本原理
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
電子：1923年、ド・ブロイは、すべての粒子には波動性
があるという仮説
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
1927年、G. P. トムソンは、金の薄膜に電子線を当て、電子線の回折像が得られることを確かめました（左図）。この結果は、ド・ブロイの式で求めた電子の波長と、金の原子 の間隔から計算した回折像（右図）と一致しました。
電子線の実験回折像 電子線の予想回折像
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
定常波
節節 節
λ／２倍の間隔で節が現れる
2010年10月9日土曜日
原子の構造 波動性と粒子性
原子核の周りを回っている電子は定常波でなければならない
n 個の定常波 = 円周n・λ = 2 π r
ド・ブロイの関係式(λ = h/mv)を代入n・h/mv = 2 π r
とびとびの値質量 m の物質が速度 v で半径 r の円運動している
2010年10月9日土曜日
原子の構造 ボーアモデル
2010年10月9日土曜日
原子の構造 電子と存在確率
粒子の運動量と位置を同時に正確には測ることができないという事実
ΔxΔp=h（位置の不確かさの幅）×（運動量の不確かさの幅）=h hは「プランク定数（6.626×10-34ジュール・秒）」
位置xにΔがついたものは、電子がある位置に存在している不確かさを意味する（電子の存在には幅がある）。同じように電子の運動量についても、微妙な誤差の幅を考えてΔpと表される。 そして、このΔxとΔpをかけ合わせると、必ずプランク定数よりも大きくなる。つまり、どんなに測定の精度を高めても、そこには必ずh程度の誤差が生ま れる。
このプランク定数hは非常に小さな数値で、私たちの住むマクロの世界では、ほとんど影響がない。しかし、これがミクロの世界となると、 大きく影響してしまう。
ハイゼンベルグの不確定性原理
2010年10月9日土曜日
原子の構造 電子と存在確率
物質の波動性と粒子性
不確定性原理ミクロ（電子）世界
波動方程式（シュレーディンガー）
粒子の運動（波動）の在り方 = 存在する確率分布2010年10月9日土曜日
原子の構造 電子の軌道
電子軌道（でんしきどう、electron orbital）とは、電子の状態を表す波動関数（存在確率）のことを指す。
波動関数2010年10月9日土曜日
原子の構造
2010年10月9日土曜日
