原子模型の進化

古代ギリシャのデモクリトスが「これ以上分割できない最小单位」として原子を提唱して以来人類は原子の構造解明を求めてきました。19世紀から20世紀にかけて、ドル卿模型から始まり、ラザフォードの散乱実験、ボーア模型、そして現代の量子力学へと、原子模型は目覚ましい進化を遂げました。この章では、その足跡を系統的に追いながら、現代物理学への扉を開いていきます。

ドル卿模型

1897年、JJ汤姆逊が電子を発見し、原子がさらに小さな粒子から構成されることが明らかになりました。汤姆逊は、原子内部で正の電荷が均匀に分布し、その中に電子が埋まっているという模型を提案しました。これは「プラムプリン模型」や「ドル卿模型」と呼ばれ、正の物質の中に負の電子が散在する構造を考えていました。しかし、この模型は後の実験によって否定されることになりました。

ラザフォードの散乱実験

1909年から1911年にかけて，卢瑟福（ラザフォード）の研究室で金の箔にアルファ粒子を照射する実験を行いました。予想では、アルファ粒子はわずかに方向が変わる程度でほぼ直進するはずでした。しかし、実際には一部のアルファ粒子は大きく散乱され、時には進行方向に反转するものもあったのです。ラザフォードは、この事実から「原子の大部分は空であり、質量が集中した小さな核が中心に存在する」と結論づけ、中心核（原子核）の概念を提唱しました。この散乱実験は、原子物理学生命続く最も重要な実験の一つです。

原子は空間の 대부분が真空

ラザフォードの模型によると、原子は中心に非常に小さく重い原子核（直径約10⁻¹⁵ m）があり、その周りを電子雲が取り囲んでいます（電子の典型的な存在範囲の直径は約10⁻¹⁰ m）。この結果、原子の直径は核の直径の約10万倍になり、原子の体積の大部分は真空と言えます。これは太阳系と似ており、太陽の質量が太陽系全体の99.9%を占めるように、原子核の質量も原子の質量の大部分を占めています。だからこそ、アルファ粒子は金の箔を透過できるのです。

ボーア模型の3仮設

ラザフォードの模型には重大な問題がありました。電子が原子核の周りを円運動すると聞いた加速度運動によりエネルギーを放出して спираль的に原子核に落ち込んでしまうはずです。この問題を解決するため、1913年にニールス・ボーアは次の3つの仮設を導入しました。1つ目の仮設は、水素原子の電子は一定の軌道上でのみ安定に存在でき、エネルギーを放射しないというものです。2つ目の仮設は、、電子がある軌道から別の軌道に移る際に、エネルギー差に等しい光を放出または吸収するというものです。3つ目の仮設は、軌道角運動量がプランク定数の整数倍になる）という量子条件です。この3仮設により、水素原子の輝線スペクトルを完璧に説明できました。

量子力学の原子模型

ボーア模型は的水素原子のスペクトルを美しく説明しましたが、より複雑な原子や分子には適用できませんでした。1926年以降、マトリックス力学や波動力学の登場により、現代量子力学の原子模型が確立されました。在这里、电子不再被视为明確に定義された軌道上にあるのではなく、確率波として存在 확률分布で表されます。电子の存在確率を特定の状態（量子状態）は、4つの量子数——主量子数 n、軌道量子数 l、磁気量子数 mₗ、およびスピン量子数 mₛ——によって特徴づけられます。この考え方は、原子の化学的性質を元素の周期表という形で体系的に理解了 основе.

基底状態と励起状態

原子の電子が最も低いエネルギー状態のことを基底状態と呼びます。基底状態では、电子はできるだけ低いエネルギーの軌道（主量子数 n が最小の軌道）を佔めします。一方、外部からエネルギー（光や熱など）を受け取ることで、電子はより高いエネルギーの軌道へ移ることができます。この状態を励起状態と呼びます。励起状態は不安定であり、電子はすぐに基底状態或其他の低い状態に戻ります。その際に、エネルギー差に等しい光を放出します。この光の放出が、原子の輝線スペクトルの原因となっています。