インターネットで原子の写真を検索すると、実際に原子を見たことがない人でも見つけることができます。しかし、デンマークの物理学者Niels Bohrのようなさまざまな科学者の研究により、単一の原子がどのように見えるかを推定することができます。
原子は物質の構成要素です。個々の元素の単一の原子は、日常生活で観察できる物理学の規則を今でも遵守している自然界で最も基本的なエンティティです（原子を構成する亜原子粒子には独自の特別な規則があります） 。科学者たちは、原子がその構造を概念化する前に長い間存在していたのではないかと疑っていました。古代ギリシャ人でさえ、宇宙の問題は非常に小さい成分で構成されているため、小さなものに分解できないと考え、これらの基本単位をアトモスと呼びました。、これは「分割されていない」という意味です。 19世紀の終わりまでに、化学物質は原子に分解できることが理解されました。原子は非常に小さく、さまざまな元素の原子の重量は予測可能でした。
しかしその後、1897年に、英国の物理学者JJ Thomsonは、存在する最小のものとして、電子（1世紀の大部分を誰もが完全に不可分であると信じていた原子内の負に帯電した粒子）を発見しました。トムソンは電子が存在するという仮説を立てましたが、電子が原子にどのように適合するかを正確に理解することはできませんでした。彼の最も良い推測は「プラムプディングモデル」でした。これは、原子を、昔ながらのデザートの果物のように散らばった負に帯電した領域がちりばめられた正に帯電したパイとして描写しました。
「電子は負の電気であり、すべて原子と比較して同じ質量で非常に小さいことがわかった」と、1986年にノーベル化学賞を共有したハーバード大学の化学者ダドリー・ハーシュバッハは、「化学元素プロセスのダイナミクスに関する貢献」について述べています。 、」メールで。「アーネスト・ラザフォードは1911年に原子核を発見しました。原子核は正の電気であり、さまざまな質量を持ちましたが、電子よりもはるかに大きく、サイズは非常に小さいものでした。」
大きな飛躍
ニールス・ボーアは、1912年に原子の構造を解読するという彼のメンターのプロジェクトをゲームで引き継いだラザフォードの学生でした。水素原子の実用的なモデルを思い付くのにたった1年しかかかりませんでした。
「水素原子に関する1913年のボーアのモデルは、陽子の周りに円形の電子軌道を持っていました—太陽の周りの地球軌道のように」とHerschbachは言います。「ボーアは、1885年にヨハンバルマーによって発見された水素原子のスペクトルに単純で規則的なパターンを利用していました。彼はまた、1900年にマックスプランクによって発見された量子アイデアのアイデアを利用しました。」
1913年、ボーアのモデルは、原子と分子の記述に新生児の量子力学の特徴を組み込んだため、大きな飛躍を遂げました。その年、彼は原子と分子の構成に関する3つの論文を発表しました。最初で最も有名なのは水素原子に関するもので、他の2つは、彼のモデルをフレームワークとして使用して、より多くの電子を持ついくつかの元素について説明しました。彼が水素原子に対して提案したモデルでは、電子が原子核の周りを移動していましたが、エネルギーレベルが異なる特別な軌道上にのみ存在していました。ボーアは、電子が高エネルギートラックから低エネルギートラックにジャンプしたときに光が放出されたと仮定しました。これが、ガラス管内で水素を発光させた理由です。彼は水素を正しく得たが、彼のモデルは少しグリッチだった。
「このモデルでは、ヘリウム原子や水素分子などの最も単純な2電子系であっても、多電子原子の基底状態エネルギーと分子の結合エネルギーの正しい値を予測できませんでした」とAnatolySvidzinsky氏は述べています。 、テキサスA＆Mの量子科学工学研究所の教授、電子メールによるインタビュー。「したがって、すでに1913年に、ボーアのモデルが完全に正しくないことは明らかでした。水素原子の場合でも、ボーアのモデルは、原子の基底状態がゼロ以外の軌道角運動量を持っていると誤って予測します。」
1922年のノーベル賞
もちろん、あなたが量子物理学者でなければ、これはあなたにとってあまり意味がないかもしれません。しかし、ボーアの模型は、1922年にノーベル物理学賞を受賞するために急ピッチで進められました。しかし、ボーアが物理学の世界で彼の評判を固めているときでさえ、科学者は彼の模型を改良していました。
「水素原子のボーアのモデルは、1916年にアーノルドゾンマーフェルトによって改良されました」とHerschbachは言います。「彼は、円軌道から来たスペクトル線の近くのスペクトル線を説明する楕円軌道を見つけました。水素原子のボーアゾンマーフェルトモデルは基本ですが、量子と相対性が主要な側面になりました。」
1925年から1928年の間に、ヴェルナーハイゼンベルク、マックスボルン、ヴォルフガングパウリ、エルヴィンシュレディンガー、ポールディラックは、ボーアの原子モデルをはるかに超えてこれらの側面を開発しましたが、彼は原子の最も認識されたモデルです。量子物理学が私たちに与えた原子モデルは、電子惑星に囲まれた太陽のようではなく、現代美術のように見えます。原子の概念の良い入門書であるため、ボーアモデルをまだ使用している可能性があります。
「1913年に、ボーアのモデルは、量子化がミクロの世界の記述に入る正しい方法であることを示しました」とSvidzinskyは言います。「したがって、ボーアのモデルは、科学者に量子力学のさらなる発展を探求し、刺激する方向性を示しました。道を知っていれば、遅かれ早かれ、問題の正しい解決策を見つけるでしょう。ボーアのモデルは、量子世界へのハイキングコースに沿った方向標識。」
今それは興味深いです
ニールス・ボーアの父親であるクリスチャン・ボーアは、ノーベル医学生理学賞にノミネートされましたが、受賞したことはありませんでした。
