ボーアモデル: すぐに置き換えられましたが決して忘れられることはありません

重要なポイント

インターネットで原子の写真を検索すると、原子を実際に見た人が誰もいないにもかかわらず、原子の写真が見つかります。しかし、デンマークの物理学者ニールス・ボーアのような多くの科学者の研究のおかげで、私たちは単一の原子がどのように見えるかを推定することができました。

原子は物質の構成要素です。個々の元素の 1 つの原子は、日常生活で観察できる物理法則に従う自然界の最も基本的な存在です (原子を構成する素粒子には独自の特別な法則があります)。 。科学者たちは、原子がその構造を概念化できるようになるまで、長い間存在していたのではないかと疑っていました。古代ギリシャ人でさえ、宇宙の物質は非常に小さな成分で構成されているため、これ以上小さく分解することはできないと考え、これらの基本単位をアトモと呼んでいました。 、「分割されていない」という意味です。 19 世紀の終わりまでに、化学物質は非常に小さく、さまざまな元素の原子が予測可能な重さを持つ原子に分解できることが理解されました。

しかしその後、1897 年に英国の物理学者 J.J. トムソンは、存在する最小のものとして電子 (誰もが 1 世紀の大半を費やして完全に分割できないと信じていた原子内部のマイナスに帯電した粒子) を発見しました。トムソンは電子が存在するという仮説を立てただけで、電子が原子の中にどのように収まるかを正確に解明することはできませんでした。彼の最も有力な推測は、原子を、昔懐かしいデザートのフルーツのように、負に帯電した領域が散りばめられた、正に帯電したパイとして描いた「」でした。

「電子は負の電気であり、すべて同じ質量で、原子に比べて非常に小さいことが判明した」と、「化学素過程の力学に関する貢献」を共有したハーバード大学の化学者ダドリー・ハーシュバッハは電子メールで述べている。 「アーネスト・ラザフォードは 1911 年に原子核を発見しました。原子核は正の電気を持ち、さまざまな質量を持っていますが、電子よりもはるかに大きく、しかもサイズは非常に小さいです。」

大きな飛躍

ニールス・ボーアはラザフォードの教え子で、1912 年に原子の構造を解読するという師のプロジェクトを巧みに引き継ぎました。彼は水素原子の実用的なモデルを思いつくまでにわずか 1 年かかりました。

「1913年のボーアの水素原子モデルは、地球が太陽の周りを周回するのと同じように、陽子の周りを円形の電子軌道が回っていました」とハーシュバッハ氏は言う。 「ボーアは、1885 年にヨハン バルマーによって発見された水素原子のスペクトルの単純かつ規則的なパターンを利用しました。彼はまた、1900 年にマックス プランクによって発見された量子概念のアイデアも利用しました。」

1913 年、ボーアのモデルは、原子と分子の記述に生まれたばかりの量子力学の特徴を組み込んだため、大きな進歩を遂げました。その年、彼は原子と分子の構成に関する 3 つの論文を発表しました。最初の最も有名な論文は水素原子に関するもので、他の 2 つは彼のモデルをフレームワークとして使用して、より多くの電子を含むいくつかの元素について説明したものでした。彼が水素原子に対して提案したモデルでは、電子は原子核の周りを移動していましたが、異なるエネルギーレベルを持つ特別な軌道上でのみ移動していました。ボーアは、電子がより高いエネルギーの軌道からより低いエネルギーの軌道に飛び移るときに光が放出されると仮説を立てました。これがガラス管内で水素を光らせたものです。彼は水素については正しく理解しましたが、彼のモデルには少し問題がありました。

「このモデルは、ヘリウム原子や水素分子などの最も単純な 2 電子系であっても、多電子原子の基底状態エネルギーと分子の結合エネルギーの正しい値を予測できませんでした」とアナトリー・スヴィジンスキーは言うテキサスA&Mの量子科学工学研究所の教授である彼は電子メールインタビューで語った。 「つまり、すでに 1913 年の時点で、ボーアのモデルがまったく正しくないことは明らかでした。水素原子についてさえ、ボーアのモデルは、原子の基底状態がゼロ以外の軌道角運動量を持つと誤って予測しています。」

1922 年のノーベル賞

もちろん、これは量子物理学者でなければあまり意味がわからないかもしれません。しかし、ボーアのモデルは 1922 年にノーベル物理学賞を受賞するまでに急速に進みました。しかし、ボーアが物理学の世界で彼の評判を確固たるものにしている間にも、科学者たちは彼のモデルを改良していました。

「ボーアの水素原子モデルは、1916 年にアーノルド・ゾンマーフェルトによって改良されました」とハーシュバッハ氏は言います。 「彼は、円形軌道から来たスペクトル線の近くにあるスペクトル線を説明する楕円軌道を発見しました。水素原子のボーア・ゾンマーフェルト模型は基本ですが、量子と相対性理論が主要な側面になりました。」

1925 年から 1928 年にかけて、ヴェルナー ハイゼンベルク、マックス ボルン、ヴォルフガング パウリ、エルヴィン シュレディンガー、ポール ディラックは、ボーアの原子モデルをはるかに超えたこれらの側面を開発しましたが、彼の原子モデルは断然最もよく知られている原子モデルです。量子物理学が私たちに与えてくれた原子モデルは、電子惑星に囲まれた太陽というよりもむしろ現代美術のように見えます。おそらくボーアモデルは原子の概念を理解するのに適しているため、今でも使用されていると思われます。

「1913 年、ボーアのモデルは、ミクロ世界の記述において量子化が正しい方法であることを実証しました」とスヴィジンスキーは言います。 「このように、ボーアのモデルは科学者に研究の方向性を示し、量子力学のさらなる発展を刺激しました。その道筋を知っていれば、遅かれ早かれ問題に対する適切な解決策が見つかるでしょう。ボーアのモデルは、量子の世界へのハイキングコースに沿った方向標識。」