原子の構造 — 物質の素粒子、電子、陽子、中性子
自然界のすべての肉体は、物質と呼ばれる一種の物質でできています。物質は、単純物質と複雑物質の 2 つの主要なグループに分類されます。
複雑な物質は、化学反応を通じて他のより単純な物質に分解できる物質です。複雑な物質とは異なり、単純な物質は、化学的にさらに単純な物質に分解することができない物質です。
複雑な物質の例としては水があり、化学反応によって水素と酸素という 2 つの単純な物質に分解されます。最後の 2 つについては、化学的に単純な物質に分解することはできなくなり、したがって単純な物質、つまり化学元素となります。
19 世紀前半、科学では、化学元素は互いに共通の関係を持たない変化していない物質であるという前提がありました。しかし、ロシアの科学者 D.I.メンデレーエフ (1834 — 1907) は 1869 年に初めては、化学元素の関係を明らかにし、それぞれの定性的特性がその定量的特性、つまり原子量に依存することを示しています。
D.I.メンデレーエフは、化学元素の性質を研究しており、その性質が原子量に応じて周期的に繰り返されることに気づきました。彼はこの周期性を表の形で示し、「メンデレーエフの元素周期表」という名前で科学に取り入れられました。
以下はメンデレーエフの現代の元素周期表です。
原子
現代の科学概念によれば、各化学元素は原子と呼ばれる最小の物質（物質）粒子の集合で構成されています。
原子は、化学的に分解して他のより小さく単純な材料粒子にすることができない化学元素の最小部分です。
異なる性質の化学元素の原子は、物理化学的特性、構造、サイズ、質量、原子量、独自のエネルギー、およびその他の特性が互いに異なります。たとえば、水素原子は、酸素原子とは性質や構造が大きく異なり、酸素原子はウラン原子などと大きく異なります。
化学元素の原子のサイズは非常に小さいことがわかります。条件付きで原子が球形であると仮定すると、その直径は 1 億分の 1 センチメートルに等しくなければなりません。たとえば、自然界で最小の原子である水素原子の直径は 1 億分の 1 センチメートル (10-8 cm) で、最大の原子 (たとえばウラン原子) の直径は 300 センチメートルを超えません。 100 万分の 1 センチメートル (3 10-8 cm)。したがって、水素原子は、半径 1 センチメートルの球よりも何倍も小さく、後者は地球よりも小さいことになります。
原子のサイズは非常に小さいため、その質量も非常に小さくなります。たとえば、水素原子の質量は m = 1.67 · 10-24 です。これは、1 グラムの水素に約 6 · 1023 個の原子が含まれていることを意味します。
化学元素の原子量の従来の測定単位は、酸素原子の重量の 1/16 となります。化学元素のこの原子量に従って、特定の化学元素の重さが酸素原子の重さの 1/16 の何倍かを示す抽象的な数が呼び出されます。
D. I. メンデレーエフの元素周期表には、すべての化学元素の原子量が示されています (元素名の下にある数字を参照)。この表から、最も軽い原子は水素原子であり、その原子量は 1.008 であることがわかります。炭素の原子量は 12、酸素は 16 などです。
より重い化学元素については、その原子量は水素の原子量を 200 倍以上超えます。したがって、水銀の原子価は 200.6、ラジウムは 226 などとなります。元素の周期表で化学元素が占める数次が大きくなるほど、原子量は大きくなります。
化学元素の原子量のほとんどは分数で表されます。これは、そのような化学元素が、原子量は異なるが化学的性質が同じである何種類の原子のセットで構成されているという事実によってある程度説明されます。
元素の周期表で同じ番号を占め、したがって同じ化学的性質を持ちますが、原子量が異なる化学元素は、同位体と呼ばれます。
同位体はほとんどの化学元素に含まれており、同位体は 2 つ、カルシウムは 4 つ、亜鉛は 5 つ、錫は 11 つなどです。多くの同位体は技術を通じて得られ、そのうちのいくつかは実用的に非常に重要です。
物質の素粒子
長い間、化学元素の原子は物質の分割可能性の限界であり、いわば宇宙の基本的な「構成要素」であると信じられていました。現代科学は、あらゆる化学元素の原子は原子そのものよりもさらに小さな物質粒子の集合体であると確立し、この仮説を否定しています。
物質の構造に関する電子理論によれば、化学元素の原子は中心核からなる系であり、その周りを電子と呼ばれる物質の「素」粒子が回転します。一般に受け入れられている見解によれば、原子核は一連の「元素」物質粒子、つまり陽子と中性子で構成されています。
原子の構造とその中の物理化学的プロセスを理解するには、原子を構成する素粒子の基本的な特性を少なくとも簡単に理解する必要があります。
電子は、自然界で観察される最小の負の電荷をもつ真の粒子であると判断されます。
粒子としての電子が球形であると条件付きで仮定すると、電子の直径は 4 ·10-13 cm に等しく、つまり各原子の直径の数万倍小さいはずです。
電子は、他の物質粒子と同様に質量を持っています。電子の「静止質量」、つまり相対的に静止した状態で電子が持つ質量は、mo = 9.1 · 10-28 G に等しくなります。
電子の「静止質量」が非常に小さいということは、電子の慣性特性が非常に弱いことを示しています。これは、電子が交流電気力の影響下で、1 周期当たり数十億周期の周波数で空間振動できることを意味します。 2番。
電子の質量は非常に小さいため、1 グラムの電子を生成するには 1027 単位が必要です。この膨大な数について少なくとも物理的なアイデアを得るために、例を挙げます。 1グラムの電子を互いに近づけて直線に並べることができれば、長さ40億キロメートルの鎖を形成することになります。
電子の質量は、他の物質微粒子と同様に、その移動速度に依存します。相対的に静止した状態にある電子は、物理的な物体の質量と同様に、機械的な性質の「静止質量」を持ちます。電子の「運動質量」は、運動速度が増すにつれて増加しますが、これは電磁気起源のものです。これは、質量と電磁エネルギーを持つ物質の一種として、移動する電子内に電磁場が存在するためです。
電子が速く移動するほど、その電磁場の慣性特性がより多く現れ、後者の質量が大きくなり、それに応じてその電磁エネルギーも大きくなります。電子とその電磁場は、有機的に接続された単一の材料系を表すため、電子の電磁場の運動量質量が電子自体に直接起因するのは自然なことです。
電子は、粒子の性質に加えて、波の性質も持っています。電子の流れは、光の流れと同様に、波のような動きの形で伝播することが実験的に確立されました。空間内の電子流の波動の性質は、電子波の干渉と回折の現象によって確認されます。
電子干渉とは、電子の意志が重なり合う現象と電子回折であり、電子ビームが通過する狭いスリットの端で電子波が曲がる現象です。したがって、電子は単なる粒子ではなく、「粒子波」であり、その長さは電子の質量と速度によって決まります。
電子は並進運動に加えて、その軸の周りの回転運動も行うことが確立されました。このタイプの電子の動きは「スピン」と呼ばれます（英語の「スピン」つまり紡錘体に由来）。この動きの結果、電子は、電荷による電気的特性に加えて、基本的な磁石に似た磁気的特性も獲得します。
陽子は、電子の電荷と絶対値が等しい正の電荷を持つ実際の粒子です。
陽子の質量は 1.67 ·10-24 r、つまり電子の「静止質量」より約 1840 倍大きいです。
電子や陽子とは異なり、中性子は電荷を持たない、つまり電気的に中性の物質の「素」粒子です。中性子の質量は陽子の質量と実質的に等しい。
原子を構成する電子、陽子、中性子は相互作用します。特に、電子と陽子は、反対の電荷をもつ粒子として互いに引き合います。同時に、電子からの電子と陽子からの陽子は、同じ電荷を持った粒子として反発します。
これらの荷電粒子はすべて、電場を通じて相互作用します。これらのフィールドは、フォトンと呼ばれる基本物質粒子の集合から構成される特別な種類の物質です。各光子には、厳密に定義された量のエネルギー (エネルギー量子) が固有に存在します。
帯電した材料の粒子の相互作用は、相互の光子の交換を通じて発生します。荷電粒子の相互作用の力は通常、電気力と呼ばれます。
原子核の中性子と陽子も相互作用します。しかし、中性子は電気的に中性の物質粒子であるため、それらの間のこの相互作用は電場を通じてではなく、いわゆる核分野。
この場は、中間子と呼ばれる素粒子の集合体からなる特殊な物質でもあります。中性子と陽子の相互作用は、中間子同士の交換によって起こります。中性子と陽子の間に働く力を核力といいます。
核力は、約 10 ～ 13 cm という非常に短い距離の原子核に作用することが確立されています。
核力は、原子核内の陽子の相互反発による電気力を大幅に上回ります。これは、原子核内の陽子の相互反発力を克服できるだけでなく、陽子と中性子の集合から非常に強力な原子核システムを作成できるという事実につながります。
あらゆる原子の原子核の安定性は、核 (陽子と中性子の相互引力) と電気 (陽子の相互反発) という 2 つの相反する力の比によって決まります。
原子核に作用する強力な核力は、中性子と陽子の相互変換に寄与します。中性子と陽子のこうした相互作用は、中間子などのより軽い素粒子の放出または吸収の結果として起こります。
私たちが考える粒子は、他の単純な物質粒子の集合体から構成されていないため、素粒子と呼ばれます。しかし同時に、それらは互いに変身し、互いを犠牲にして生まれることができるということを忘れてはなりません。したがって、これらの粒子は何らかの複雑な構造であり、その基本的な性質は条件付きです。
原子の化学構造
その構造において最も単純な原子は水素原子です。それは、陽子と電子という 2 つの素粒子のみの集合で構成されています。水素原子系の陽子は中心核の役割を果たし、その周りを電子が一定の軌道で回転します。図では。図１に水素原子のモデルを模式的に示す。
米。 1. 水素原子の構造図
このモデルは現実の大まかな近似にすぎません。実際のところ、「粒子の波」としての電子は、外部環境から明確に区別される体積を持っていません。そしてこれは、電子の正確な直線軌道についてではなく、一種の電子雲について話すべきであることを意味します。この場合、電子はほとんどの場合、原子内で可能な軌道の 1 つである雲の中央線を占めます。
電子自体の軌道は厳密には原子内で不変で静止しているわけではなく、電子の質量の変化により一定の回転運動をすることもあります。したがって、原子内の電子の動きは比較的複雑です。水素原子の原子核（陽子）とその周りを回る電子は逆の電荷を持っているため、互いに引き合います。
同時に、原子核の周りを回転する電子の自由エネルギーにより、原子核から電子を引き離そうとする遠心力が発生します。したがって、原子核と電子の間に働く電気力と電子に働く遠心力は相反する力になります。
平衡状態では、それらの電子は原子内のある軌道で比較的安定した位置を占めます。電子の質量は非常に小さいため、原子核への引力のバランスをとるために、電子は毎秒約 6・1015 回転に相当する高速で回転する必要があります。これは、水素原子の系内の電子が、他の原子と同様に、毎秒 1,000 キロメートルを超える線速度でその軌道に沿って移動することを意味します。
通常の状態では、電子は原子核に最も近い軌道にある原子の中で回転します。同時に、エネルギー量も最小限に抑えられています。何らかの理由で、たとえば、原子系に侵入した他の物質粒子の影響で、電子が原子からより遠い軌道に移動した場合、電子はすでにわずかに大きなエネルギー量を持っています。
ただし、電子はこの新しい軌道にわずかな時間留まり、その後回転して原子核に最も近い軌道に戻ります。この過程で、磁気放射の量子、つまり放射エネルギーの形で過剰なエネルギーを放出します（図2）。
米。 2. 電子が遠い軌道から原子核に近い軌道に移動すると、量子的な放射エネルギーが放出されます。
電子が外部から受け取るエネルギーが多ければ多いほど、原子核から最も遠い軌道に移動し、原子核に最も近い軌道に回転するときに放出する電磁エネルギーの量は大きくなります。
異なる軌道から原子核に最も近い軌道への遷移中に電子が放出するエネルギー量を測定することにより、他の軌道と同様に、水素原子の系にも電子が存在することを証明することができました。原子は、外力の影響下で受け取るこのエネルギーに従って厳密に決定されたランダムな軌道に進むことはできません。電子が原子内で占有することができる軌道は許容軌道と呼ばれます。
水素原子の原子核の正電荷（陽子の電荷）と電子の負電荷は数値的に等しいため、それらの合計電荷はゼロになります。これは、通常の状態の水素原子は電気的に中性の粒子であることを意味します。
これはすべての化学元素の原子に当てはまります。通常の状態の化学元素の原子は、正電荷と負電荷が数値的に等しいため、電気的に中性の粒子です。
水素原子の核には「素」粒子、つまり陽子が 1 つだけ含まれているため、この核のいわゆる質量数は 1 に等しくなります。化学元素の原子核の質量数は、その原子核を構成する陽子と中性子の総数です。
天然の水素は主に質量数 1 の原子の集合で構成されています。ただし、質量数が 2 の別の種類の水素原子も含まれています。重陽子と呼ばれるこれらの重水素原子の原子核は、陽子と中性子の 2 つの粒子で構成されています。この水素の同位体は重水素と呼ばれます。
天然の水素には非常に少量の重水素が含まれています。 6,000 個の軽水素原子 (質量数が 1 に等しい) ごとに、重水素原子 (重水素) は 1 個だけ存在します。水素の別の同位体として、トリチウムと呼ばれる超重水素があります。この水素同位体の原子核には、核力によって結合された陽子 1 個と中性子 2 個の 3 つの粒子があります。トリチウム原子の原子核の質量数は 3 です。つまり、トリチウム原子は軽い水素原子より 3 倍重いです。
水素同位体の原子は異なる質量を持っていますが、同じ化学的性質を持っています。たとえば、軽水素は酸素と化学反応を起こし、酸素と複合物質、つまり水を形成します。同様に、水素の同位体である重水素は酸素と結合して水を形成します。この水は通常の水とは異なり、重水と呼ばれます。重水は原子力（原子力）エネルギーの生産に広く使用されています。
したがって、原子の化学的性質は原子核の質量には依存せず、原子の電子殻の構造にのみ依存します。軽水素、重水素、三重水素の原子は同じ数の電子 (各原子に 1 つ) を持っているため、これらの同位体は同じ化学的性質を持ちます。
化学元素水素が元素周期表の最初の数を占めるのは偶然ではありません。実際のところ、元素周期表の各元素の数と、その元素の原子核の電荷の大きさの間には何らかの関係があるということです。これは次のように定式化できます。元素の周期表における各化学元素のシリアル番号は、数値的にはその元素の原子核の正電荷に等しく、したがってその原子核の周りを回転する電子の数に等しくなります。
水素は元素の周期表の最初の番号を占めるため、その原子の核の正電荷は 1 に等しく、1 つの電子が核の周りを回転することを意味します。
ヘリウムという化学元素は、元素周期表の 2 番目にあります。これは、原子核が2単位に等しい正の電荷を持っていることを意味します。つまり、原子核には2つの陽子が含まれ、原子の電子殻には2つの電極が含まれている必要があります。
天然ヘリウムは、重ヘリウムと軽ヘリウムの 2 つの同位体で構成されています。重ヘリウムの質量数は4です。これは、上記の 2 つの陽子に加えて、さらに 2 つの中性子が重ヘリウム原子の核に入らなければならないことを意味します。軽いヘリウムの場合、その質量数は 3 です。つまり、2 つの陽子に加えて、さらに 1 つの中性子が原子核の組成に入る必要があります。
天然ヘリウムでは、軽いヘリウム原子の数は重いヘリウム原子の約100万分の1であることがわかっています。図では。図３にヘリウム原子の模式図を示す。
米。 3. ヘリウム原子の構造図
化学元素の原子の構造がさらに複雑になるのは、これらの原子の原子核内の陽子と中性子の数が増加し、同時に原子核の周りを回転する電子の数が増加するためです（図4）。元素の周期表を使用すると、さまざまな原子を構成する電子、陽子、中性子の数を簡単に決定できます。
米。 4. 原子核の構築スキーム: 1 - ヘリウム、2 - 炭素、3 - 酸素
化学元素の規則的な数は、原子核内の陽子の数に等しく、同時に原子核の周りを回転する電子の数にも等しくなります。原子量に関しては、原子の質量数、つまり原子核内で一緒に取り込まれた陽子と中性子の数にほぼ等しくなります。したがって、元素の原子量からその元素の原子番号に等しい数値を引くことによって、特定の原子核に含まれる中性子の数を決定することができます。
軽化学元素の原子核は、その組成中に同数の陽子と中性子が含まれており、その核力が比較的大きいため、非常に高い強度によって区別されることが確立されています。たとえば、重いヘリウム原子の原子核は、強力な核力によって結合された 2 つの陽子と 2 つの中性子で構成されているため、非常に耐久性があります。
より重い化学元素の原子核には、すでにその組成に含まれる陽子と中性子の数が等しくないため、原子核内での結合は軽い化学元素の原子核よりも弱いのです。これらの元素の原子核は、原子の「飛翔体」(中性子、ヘリウム原子核など) が衝突すると比較的簡単に分裂します。
最も重い化学元素、特に放射性元素については、その原子核の強度が非常に低いため、構成要素に自然に崩壊するという特徴があります。たとえば、88 個の陽子と 138 個の中性子の組み合わせからなる放射性元素ラジウムの原子は、自然崩壊して放射性元素ラドンの原子になります。後者の原子は、次にその構成部分に分解され、他の元素の原子に入ります。
化学元素の原子核の構成部分について簡単に理解したところで、原子の電子殻の構造を考えてみましょう。ご存知のとおり、電子は厳密に定義された軌道でのみ原子核の周りを回転できます。さらに、それらは各原子の電子殻内に密集しているため、個々の電子殻を区別することができます。
各シェルには、厳密に特定の数を超えない特定の数の電子を含めることができます。したがって、たとえば、原子核に最も近い最初の電子殻には最大 2 個の電子が存在でき、2 番目の電子殻には 8 個以下の電子が存在する可能性があります。
外側の電子殻が完全に満たされている原子は、最も安定な電子殻を持ちます。これは、原子がすべての電子をしっかりと保持しており、外部から追加の電子を受け取る必要がないことを意味します。たとえば、ヘリウム原子には最初の電子殻を完全に満たす 2 つの電子があり、ネオン原子には 10 個の電子があり、そのうち最初の 2 つは最初の電子殻を完全に満たし、残りは 2 番目の電子殻になります (図 5)。
米。 5. ネオン原子の構造図
したがって、ヘリウム原子とネオン原子はかなり安定した電子殻を持っており、定量的に電子殻を変化させる傾向はありません。このような元素は化学的に不活性です。つまり、他の元素と化学的相互作用を起こしません。
ただし、ほとんどの化学元素には、外側の電子殻が電子で完全に満たされていない原子があります。たとえば、カリウム原子には 19 個の電子があり、そのうち 18 個は最初の 3 つの殻を完全に満たしており、19 番目の電子は次の満たされていない電子殻にあります。 4番目の電子殻の電子の充填が弱いと、原子核が最も外側の19番目の電子を非常に弱く保持しているため、後者は原子から簡単に除去できます。 …
あるいは、たとえば、酸素原子には 8 つの電子があり、そのうちの 2 つは最初の殻を完全に満たしており、残りの 6 つは 2 番目の殻にあります。したがって、酸素原子内の第 2 電子殻の構築が完全に完了するには、電子が 2 つだけ不足します。したがって、酸素原子は 6 つの電子を第 2 殻にしっかりと保持するだけでなく、不足している 2 つの電子を自分自身に引き寄せて第 2 の電子殻を埋める能力もあります。彼は、外側の電子が原子核と弱く結合している元素の原子との化学結合によってこれを達成した。
原子の外側に完全に電子で満たされた電子層がない化学元素は、原則として化学的に活性です。つまり、進んで化学相互作用を起こします。
したがって、化学元素の原子内の電子は厳密に定義された順序で配置されており、原子の電子殻内の電子の空間的配置または量が変化すると、後者の物理化学的特性が変化します。
原子系内の電子と陽子の数が等しいことが、その総電荷がゼロになる理由です。原子系内の電子と陽子の数の平等が崩れると、原子は帯電した系になります。
電子の一部を失ったり、逆に過剰な電子を獲得したりすることにより、系内の反対の電荷のバランスが崩れた原子をイオンと呼びます。
逆に、原子が過剰な電子を獲得すると、マイナスイオンになります。たとえば、追加の電子を 1 つ受け取った塩素原子は、一価の負の塩素イオン Cl- になります。さらに 2 つの電子を受け取った酸素原子は、二価の負の酸素イオン O になります。
イオンとなった原子は、外部環境に対して電荷を帯びた系となる。これは、原子が電場を持ち始め、それとともに単一の物質系を形成し、この場を通じて原子が他の荷電粒子、つまりイオン、電子、正に荷電した原子核、等
異なるイオンが互いに引き合う能力は、それらが化学的に結合し、より複雑な物質の粒子、つまり分子を形成する理由です。
結論として、原子の寸法は、原子を構成する実際の粒子の寸法に比べて非常に大きいことに注意する必要があります。最も複雑な原子の原子核は、すべての電子とともに、原子の体積の 10 億分の 1 を占めます。単純な計算によると、1立方メートルのプラチナを原子内および原子間の空間がなくなるほど強く圧縮すると、約1立方ミリメートルに等しい体積が得られることがわかります。