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最も重要な科学的発見
原子の惑星模型。 科学的発見の歴史と本質
最初の原子理論では ダルトン 世界は、永遠かつ不変の特徴的な特性を持つ一定数の原子、つまり基本的な構成要素で構成されていると考えられていました。 これらの考えは、電子の発見後に劇的に変化しました。 すべての原子には電子が含まれている必要があります。 しかし、電子はどのようにそれらの中に配置されていますか？ 物理学者は古典物理学の知識に基づいてのみ哲学を行うことができ、徐々にすべての視点がによって提案されたXNUMXつのモデルに収束しました。 J.J.トムソン。 このモデルによれば、原子は正に帯電した物質で構成されており、電子が散在しているため（おそらく多くの動きで）、原子はレーズンの入ったプリンに似ています。 トムソンの原子のモデルを直接テストすることはできませんでしたが、あらゆる種類の類推がそれを支持して証言しました。 1903年、ドイツの物理学者フィリップ・レナードは、相互にバランスの取れた正電荷と負電荷からなる未発見の中性粒子がその内部を「飛行」する「空の」原子のモデルを提案した。 レナードは、存在しない粒子であるダイナミドに名前さえ付けました... しかし、厳密で単純で美しい実験によって存在する権利が証明されたのは、ラザフォードのモデルだけでした。 アーネスト・ラザフォード (1871-1937) は、ニュージーランドのネルソン市近くで、スコットランドからの移民の家庭に生まれました。 当時家族が住んでいたハブロックの学校を卒業した後、彼は奨学金を受けてネルソン州立大学で教育を続け、1887年にそこに入学しました。 1892年後、アーネストはニュージーランド大学クリチェスター校の分校であるカンタベリー大学の試験に合格した。 大学時代、ラザフォードは物理学と化学の教師 E.W. ビッカートンと数学者の J.H.H. ビッカートンという教師に大きな影響を受けました。 料理。 XNUMX 年に文学士の学位を取得した後、ラザフォードはカンタベリー大学に残り、数学の奨学金を受けて研究を続けました。 翌年、彼は数学と物理学の試験に優秀な成績で合格し、芸術の修士になりました。 1894年、彼の最初の印刷物である高周波放電による鉄の磁化は、ニュージーランド哲学研究所の議事録に掲載されました。 1895年、科学教育のための奨学金は空席でした。この奨学金の最初の候補者は家族の理由で拒否され、XNUMX番目の候補者はラザフォードでした。 イギリスに到着したラザフォードは、J。J.トムソンからケンブリッジのキャベンディッシュ研究所で働くよう招待されました。 1898年、ラザフォードはモントリオールのマギル大学で教授職を受け入れ、そこでウラン元素の放射性放出に関する一連の重要な実験を開始しました。 カナダでは、彼は基本的な発見をしました。彼はトリウムの放射を発見し、いわゆる「誘導放射能」の性質を解明しました。 ソディと一緒に、彼は放射性崩壊とその法則を発見しました。 ここで彼は「放射能」という本を書いた。 彼らの古典的な仕事の中で、ラザフォードとソディは放射性変換のエネルギーの根本的な問題に触れました。 ラジウムによって放出されるk粒子のエネルギーを計算すると、「放射性変換のエネルギーは、分子変換のエネルギーよりも少なくとも20倍、場合によっては000万倍も高い」という結論に達します。 ラザフォードとソディは、「原子に隠されたエネルギーは、通常の化学変換で放出されるエネルギーよりも何倍も大きい」と結論付けました。 彼らの意見では、この巨大なエネルギーは「宇宙物理学の現象を説明するときに」考慮されるべきです。 特に、太陽エネルギーの恒常性は、素粒子変換のプロセスが太陽で起こっているという事実によって説明することができます。 モントリオールでのラザフォードの科学的研究の膨大な範囲 - 彼は、「放射能」という本を除いて、個人的および他の科学者と共同で 66 の記事を発表しました - ラザフォードは第一級の研究者として名声を博しました。 彼はマンチェスターで椅子を取るように招待されました。 24 年 1907 月 XNUMX 日、ラザフォードはヨーロッパに戻りました。 彼の人生の新しい時代が始まりました。 1908年、ラザフォードは「放射性物質の化学における元素の崩壊に関する彼の研究」でノーベル化学賞を受賞しました。 翌年、ラザフォードはアーネスト・マースデンに、アルファ粒子が金箔で跳ね返るかどうかを調べるよう挑戦しました。 ラザフォードは、巨大なアルファ粒子が金箔を通過するときにわずかな偏向しか経験しないはずだと絶対に確信していました。 それらのほとんどは実際にフォイルを通過しましたが、わずかに逸脱しただけでした。 しかし、マースデン氏が指摘したように、一部のアルファ粒子（約 20 個に 000 個）は 90 度を超える角度で曲がっていました。 マースデンはこのことをラザフォードに話すのを恐れさえし、最初は実験に間違いがないことを注意深く確認した。 ラザフォードはこの観察結果をほとんど信じていませんでした。 何年も後、ラザフォードは次のように回想しました。 。」 しかし、私はあり得ないことを信じるしかなく、1911年にラザフォードは、金箔によるアルファ粒子の散乱に関する実験の結果は、アルファ粒子が原子のサイズよりもはるかに小さいサイズの他の正に帯電した粒子から非常に短い距離を通過すると仮定することによってのみ説明できるという結論に達しました。 金原子は、正に帯電した小さな核と周囲の電子で構成されている必要があります。 これが原子核の概念と物理学の新しい分野、核物理学の誕生でした。 このアイデアは1911年までに完全に新しいものではありませんでした。 それは、ジョンストン・ストーニー、日本の物理学者長岡および他の何人かの科学者によって以前に提唱されました。 しかし、これらの仮説はすべて純粋に推測的なものでしたが、ラザフォードのアイデアは実験に基づいていました。 ラザフォードを原子の惑星構造のアイデアに導いた実験の結果は、科学者は1911年XNUMX月に英国の「哲学ジャーナル」に掲載された大きな記事「物質中のアルファ粒子とベータ粒子の散乱と原子の構造」で概説しました。 世界中の物理学者が、今度は実験的に説得力を持って確認された、原子の構造の別のモデルを評価できるようになりました... ラザフォードは不屈でした。 そして、彼は新しい研究に着手しました。彼は、フォイルが作られている物質の原子の核の電荷に応じて、フォイルによってさまざまな角度で偏向されたアルファ粒子の数を決定し始めました。 研究者の忍耐は報われました。 これらの実験の結果を分析して、ラザフォードは、特定の角度で偏向したアルファ粒子の数を、ターゲットの箔物質の核電荷に関連付ける式を導き出しました。 これで、アルファ粒子の散乱に関する実験からターゲット材料の性質を決定することが可能になりました。 化学分析の最初の核法が研究者の手に渡った！ 科学者たちは、さまざまな材料で作られたターゲットの動作を比較し、核電荷が大きいほど、より多くのアルファ粒子が直線経路から外れることを発見しました。 そしてここで、初めて、物理実験が元素の周期律に対する秘密のベールを持ち上げました。 ラザフォードの実験から、 メンデレーエフ 原子核の電荷が増加するにつれて元素を一列に配置すると、並べ替えは必要なくなります。 物理学者は周期法則の定式化を明らかにし、元素の化学的性質は元素の原子量ではなく、原子核の電荷に周期的に依存します。 メンデレーエフが元素の化学的性質に関する百科事典的な知識に基づいて元素を配置した順序で元素が並ぶのは、原子核の電荷の大きさに応じたものです... 電子が巨大な原子核に落ちるのを妨げるものは何でしょうか? もちろんその周りの高速回転。 しかし、原子核の場で加速を伴う回転の過程で、電子はそのエネルギーの一部を全方向に放射し、徐々に減速しながらも原子核に落下する必要があります。 この考えは、原子の惑星モデルの作者たちを悩ませていました。 新しい物理モデルの途中にある次の障害は、非常に困難を伴い構築され、明確な実験によって証明された原子構造の全体像を破壊することであるように見えました... ラザフォードは解決策が見つかると確信していましたが、それがすぐに起こるとは想像もできませんでした。 原子の惑星モデルの欠陥は、デンマークの物理学者NielsBohrによって修正されます。 世界の科学者が原子の構造に関するラザフォードの記事で「哲学ジャーナル」の問題を受け取ったのとほぼ同時に、XNUMX歳のニールスボーアは金属の電子理論に関する彼の論文を首尾よく擁護しましたコペンハーゲン大学で。 デンマークの物理学者NielsHenrikDavid Bohr（1885–1962）は、Christian BohrとEllen（nee Adler）Bohrの1903人の子供のうちのXNUMX番目のコペンハーゲンで生まれました。 彼の父は、コペンハーゲン大学の有名な生理学教授でした。 彼はコペンハーゲンのガンメルホルムグラマースクールで学び、XNUMX年に卒業しました。 有名な数学者になったボーアと弟のハラルドは、学生時代は熱心なサッカー選手でした。 その後、ニールズはスキーとセーリングが好きになりました。 学校でニールス・ボーアが一般的に普通の能力の学生と見なされていた場合、コペンハーゲン大学で彼の才能はすぐに彼に自分自身について話させました。 ニールズは非常に有能な研究者として認められました。 ウォータージェットの振動から水の表面張力を測定する彼の卒業プロジェクトは、デンマーク王立科学アカデミーから金メダルを獲得しました。 1907年に彼は独身になりました。 彼は1909年にコペンハーゲン大学で修士号を取得しました。 金属中の電子の理論に関する彼の博士論文は、見事な理論的研究と見なされていました。 1911年、ボーアはケンブリッジに行き、電子の発見者であるJ.J.トムソンの研究室で数か月働くことを決心しました。 ニールズの母親と弟のハラルドはその考えを承認した。 おそらく彼の婚約者マーガレットはあまり幸せではなかったが、彼女も同意した。 ボーアはそれからラザフォードのモデルを痛烈に熟考し、すべての疑いにもかかわらず自然界で明らかに起こることの説得力のある説明を探しました：電子は、原子核に落ちたり、原子核から飛び去ったりすることなく、常に原子核の周りを回転します。 K.ManolovとV.Tyutyunnikが「BiographyoftheAtom」という本に書いていることは次のとおりです。 「水素が電子を XNUMX つしか持っていない場合、水素がいくつかの異なる波長の光線を放射するという事実をどのように説明できますか?」 ボルは考えた。 彼は再びニコルソンの理論に戻った。 スペクトルの計算波長比と観測波長比が見事に一致していることは、この理論を支持する強力な議論です。 しかし、ニコルソンは放射線の周波数を機械システムの振動の周波数と同一視しています。 しかし、周波数がエネルギーの関数であるシステムでは、放射中に周波数が変化するため、有限量の均一な放射を放射することができません。 さらに、ニコルソンによって計算されたシステムは、一部のモード形状では不安定になります。 最後に、ニコルソンの理論はバルマーとリュードベリの連続法則を説明できません。 - ハンセン、答えはあると思います! ボルは言った。 - 私が導き出した原子内の電子軌道の安定条件を利用して、軌道内の電子の速度、半径、および任意の軌道内の電子の総エネルギーを計算することができます。 さらに、すべての式には、同じ整数値1、2、3、4などをとる同じ係数、いわゆる量子数が含まれています。これらの数字のそれぞれは、軌道の特定の半径に対応します... - ボーアは少し立ち止まって続けました。 - もちろん、これですべてが明らかになりました。 原子は特定の定常状態でのみエネルギーを放射せずに存在でき、それぞれの状態は独自のエネルギー値によって特徴付けられます。 電子がある軌道から別の軌道に移動すると、原子は特別な部分、つまり量子の形でエネルギーを放出または吸収します。 -それが秘密です！ ハンセンは叫んだ。 -つまり、原子のスペクトルはその構造を反映しています！ - これで、すべてがうまくいきました。 水素原子が数種類の光線を放出する理由は明らかです。 原子核に近いものから順に軌道に番号を付けると、電子は XNUMX 番目の軌道から XNUMX 番目の軌道へ、XNUMX 番目の軌道から XNUMX 番目の軌道へ、XNUMX 番目の軌道から XNUMX 番目の軌道へ、というようにジャンプすると言えます。それぞれのジャンプには、対応する波長の光の放出が伴います。 量的依存性を見つけることができることを本当に願っています... 1913 年、ニールス ボーアは長い考察と計算の結果を発表しました。その中で最も重要なものは、以来ボーアの公準として知られるようになりました。原子には常に多数の安定した厳密に定義された軌道が存在し、電子はそれに沿って無限に突進することができます。これは、それに作用するすべての力がバランスしていることが判明するためです。 電子は原子内で、ある安定した軌道から別の同様に安定した軌道にのみ移動できます。 このような遷移中に電子が原子核から遠ざかる場合、上部軌道と下部軌道における電子のエネルギー貯蔵量の差に等しい一定量のエネルギーを外部から原子核に与える必要があります。 電子が原子核に近づくと、過剰なエネルギーが放射線の形で「リセット」されます... おそらく、ボーアの仮定は、1885つの重要な状況がなければ、ラザフォードによって得られた新しい物理的事実の多くの興味深い説明の中で控えめな位置を占めていただろう。 ボーアは、彼が見つけた関係を使用して、水素原子内の電子の「許可された」軌道の半径を計算することができました。 これらの軌道における電子のエネルギーの違いを知ることで、さまざまな励起状態の水素の放射スペクトルを表す曲線を作成し、水素原子に過剰なエネルギーが供給された場合に水素原子が特に容易に放出する波長を決定することができました。たとえば、明るい水銀光ランプの助けを借りて、外側。 この理論曲線は、XNUMX年にスイスの科学者J.Balmerによって測定された励起水素原子の発光スペクトルと完全に一致していました。 原子の惑星模型は強力な支持を受け、ラザフォードとボーアはますます多くの支持者を持っていました。 著者: サミン D.K.
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