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1.原子の世界
1.原子の世界 • Demokritos(BC460~BC370):atomos • Aristoteles(BC384~BC322):連続的構造 – 実証的な実験は無い • J.Dalton(1766-1844):原子の概念 ¾ 原子の大きさ∼10−8cm=10−10m ∼1Å (A.J.Ångström) • M.Farady(1791-1867):原子間力は電気力 ¾ 電気分解実験 • J.J.Thomson(1856-1940):電子の発見(1906NP) ¾ 陰極線の研究 電子の発見 • 1879:W.Crookes 仮説:陰極線は負電荷を持つ粒子の流れ • 1888: 光電現象の発見 ¾ 金属に紫外線等があたると負電荷の粒子が放出される 現象 • 1894−1897:J.J.Thomson 陰極線の研究でCrookesの仮説を証明(e/m) • J.J.Thomson の結論 ¾ 負電荷の粒子は全ての物質中に存在 電子:electron • 1902:W.Thomson(Lord Kelvin) 原子構造のモデル:Thomson model 電子の全負電荷=球の正電荷の総量 ¾原子は電気的に中性 原子のイオン化 原子から電子を剥ぎ取る ∼1Å イオン化しても質量 が変化しない − 電子の質量の推定 ∼水素原子の1/2000 − − − + • 1902:R.A.Millikan(1923NP) 電子の電荷の正確な測定:油滴実験 帯電した油滴 X線照射 顕微鏡で観察 電場の強さを変化 落下速度の測定 油滴の持つ電荷 e の整数倍 e=1.602×10-19 C e/m (比電荷)から m=9.11 ×10-27 kg (0.51MeV) • 1910:E.Rutherford (1908NC) α粒子の散乱実験:α粒子が大角度で散乱 •Thomson model では起こらない現象 •中心の非常に小さな領域に正電荷が集中:原子核 •原子核の大きさ:原子の10-5 倍∼10-13cm=10-15m=1fm 原子核 Rutherford model 太陽系モデル 電子の軌道:原子の直径程度 dσ ⎛ ZZ ' e ⎞ =⎜ ⎟ d Ω ⎝ 4π ε 0 ⎠ 2 2 1 1 ( 4E ) 2 Mott scattering formula dσ ⎛ ZZ ' e ⎞ =⎜ ⎟ 4 π dΩ ⎝ ε0 ⎠ 2 2 θ Z 'e E Rutherford scattering formula sin θ Ze 4 2 相対論的補正 1 ( 4E ) 2 1 ⎡1 − β 2 sin 2 θ ⎤ 2 ⎦ sin 4 θ ⎣ ( A 2 2 ' ZZ e sin θ 1 − sin θ A = 1 − β 2 sin 2 θ − β 2 2 2 2hc 入射粒子がFermionの場合 ) 元素と同位体 • 1869:D.I.Mendeleev 元素の周期表:化学的性質と原子の中の電子の数との間の関係 • 20世紀のはじめ 92種類の元素 原子の重さ:原子量 核の電荷 :Ze 質量数 元素記号 208 Pb 82 原子番号 原子量 原子質量単位: atomic mass unit (amu) 1 amu=1.661×10-27 kg 12 6 C の1/12の質量 ex. 水素原子の質量∼1.0amu ヘリウム原子(α粒子)の質量∼4.0amu • 1913:J.J.Thomson Neの質量分析 20.18 amu 20 90.51% ~20.0 amu 10 Ne 9.22% 22 10 Ne 0.27% 21 10 Ne ~ 22.0 amu 化学的に区別できない 2種の荷重平均 • アイソトープ:同位体(isotope) 原子番号(Z)が同じで質量の異なる元素∼化学的性質は同じ 周期表で同じ場所,項目を占める ex. 塩素 原子記号 Cl 75.53 % Cl 36.96590 amu 24.47% H 水素 hydrogen 1.007825 amu 99.985% H 重水素:D deuterium 2.01410 amu 0.015% H 三重水素:T tritium 3.01603 amu 0.00013% 37 17 水素 2 1 3 1 存在比 34.96885 amu 35 17 1 1 原子量 放射能:radioactivity • 1896:A.H.Becquerel(1903NP) ¾ 92U:写真乾板を黒化する放射線を出す radiation • 1896-1898:M.Curie & P.Curie(1903NP) ¾ 90 放射能 Th, 84Po, 88Ra も放射線を出す 放射線 • α線 1909 Rutherford & Lloyd: He原子核 • β線 電子 • γ線 波長の短い電磁波 • 1902:Rutherford & Soddy ¾ 放射線が出るごとに原子は他の元素の原子に変化する 転換 α崩壊: U → 24 He + 231 90 U → He + 234 90 235 92 238 92 209 β崩壊: 82 4 2 Pb → 209 83 Th Th Bi + e − 不安定でβ崩壊する 自然放射同位体 γ崩壊:元素は変化しない • 中性子,陽子を放出 別種類の放射能 • 軽い核に分裂 • 電子捕獲:原子核が周囲の軌道上の電子を1個吸収 (Z → Z-1) • 放射線照射 新元素の生成 人工放射性同位体 人工放射能