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