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原子論とは、物質は原子と呼ばれる粒子から構成されているとする科学理論である。「原子」という言葉の定義は、科学的発見に応じて長年にわたって変化してきた。当初は、肉眼では見えないほど小さく、分割できない仮説上の基本的な物質粒子を指していた。その後、化学者が元素が小さな整数比で結合しているように見えることに気づいたとき、原子は化学元素の基本粒子であると定義が精緻化された。そして物理学者は、これらの原子が独自の内部構造を持っていることを発見し、結局は分割できることを明らかにした。
原子論は歴史上最も重要な科学的発展の一つであり、すべての物理科学にとって極めて重要である。物理学者でノーベル賞受賞者のリチャード・ファインマンは、 『ファインマン物理学講義』の冒頭で、原子仮説を最も影響力のある科学的概念として提示している。[ 1 ]
物質は微小で分割不可能な粒子から構成されているという基本的な考え方は、多くの古代文化に見られる古い考え方です。「原子」という言葉は、ギリシャ語の「atomos」（分割不可能な）に由来します。これらの古代の考え方は、科学的推論ではなく哲学的推論に基づいていました。現代の原子論は、これらの古い概念に基づいていません。[ 2 ] [ 3 ]： 18
17 世紀後半に活動していたロバート・ボイルは、化合物とは異なる物質としての化学元素の概念を発展させた。[ 4 ] : 293 18 世紀末近くになると、原子論の概念を参照することなく、化学において重要な発展が数多く現れた。その最初の人物はアントワーヌ・ラヴォアジエで、化合物は一定の割合で元素から構成されていることを示し、科学者が実験によってより単純な物質に分解できない物質として元素を再定義した。これにより、実験的裏付けのない、物質の元素は火、土、空気、水であるという古代の考えは終焉を迎えた。ラヴォアジエは、水は水素と酸素に分解できることを示し、さらにこれらをそれ以上単純なものに分解することはできないことを示し、これらが元素であることを証明した。[ 2 ] : 197ラヴォアジエはまた、化学反応において物質は出現したり消えたりせず、関与する物質が変化しても総質量は同じままであるという質量保存の法則を定義した。[ 4 ] : 293 1797年、フランスの化学者ジョセフ・プルーストは定比例の法則を確立した。これは、化合物をその構成化学元素に分解すると、元の化合物の量や由来に関係なく、それらの構成元素の質量は常に同じ重量比になるという法則である。この定義により、化合物と混合物が区別された。[ 5 ]
1804年、ジョン・ドルトンは自身や他の科学者によって収集されたデータを研究し、後に倍数比例の法則として知られるようになるパターンに気づきました。2つの特定の元素を含む化合物では、元素Bの測定値に対する元素Aの量は、これらの化合物間で小さな整数比で異なります。[ 2 ]： 199例えば、ドルトンは窒素の3つの酸化物、「亜酸化窒素」、「亜酸化窒素ガス」、「硝酸」を調査しました。これらの化合物は、今日ではそれぞれ亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素として知られています。「亜酸化窒素」は窒素63.3%、酸素36.7%で、窒素140gあたり酸素80gです。「亜酸化窒素ガス」は窒素44.05%、酸素55.95%で、窒素140gあたり酸素160gです。 「硝酸」は窒素29.5%、酸素70.5%で構成されており、これは窒素140gに対して酸素320gが含まれていることを意味します。80、160、320は1:2:4の比率を形成します。[ 6 ]
ジョン・ドルトンはこれを、化学元素が重量の基本単位で互いに結合している証拠と見なした。基本単位は彼が知る限り分割不可能だったので、彼は化学者や哲学者が長年仮説を立ててきた原子を発見したと結論付けた。[ 2 ]： 198 1:2:4の比率が与えられたので、ドルトンは窒素酸化物の式がN2O、NO、NO2であると推論した。[ 6 ]
1804年、ドルトンは友人であり同僚の化学者トーマス・トムソンに原子論を説明し、トムソンは1807年に著書『化学体系』で初めて完全な説明を発表した。ドルトン自身のバージョンは1808年に『新化学哲学体系』というタイトルで発表され、それまで「究極粒子」と呼んでいた対象を指すのに「原子」という言葉を採用した。[ 7 ]： 81 この新しい化学原子論は、原子に科学的な性質を提唱した。すなわち、ある元素のすべての原子は同じ質量を持ち、異なる元素の原子は異なる質量を持つ。化学反応において原子は生成も消滅もされない。ドルトンは原子の概念を用いて、当時知られていた化学法則を再現することができた。[ 2 ]：199
ドルトンは原子を化学物質の「究極の粒子」と定義し、2つ以上の元素を含む「究極の粒子」を指すのに「複合原子」という用語を使用した。これは、原子が化学元素の基本粒子であり、分子が原子の集合体であるという現代の定義とは矛盾する。 「複合原子」という用語は、「原子」という言葉が不可分性を意味するため、ドルトンの同時代人の中には混乱を招く者もいたが、彼は二酸化炭素の「原子」が分割されると二酸化炭素ではなくなると答えた。二酸化炭素の「原子」は、より小さな二酸化炭素粒子に分割できないという意味で不可分である。[ 2 ] : 201 [ 8 ]
ドルトンのシステムは相対重量に基づいていた。彼の測定によれば、7グラムの酸素と1グラムの水素が結合して8グラムの水が生成される。ドルトンは水を酸素原子1個と水素原子1個からなる「二元原子」（HO）とみなした。また、水素ガスを原子量1の元素とみなした。したがって、測定された1:7の比率は、ドルトンのシステムでは酸素の原子量が7になることを意味する。[ 7 ]： 82しかし、ドルトンが水ではなく過酸化水素（ H₂O₂ ）を分析していた場合、酸素の原子量は16とされただろう。このように、ドルトンの相対重量システムは、明確な原子量や化学構造を決定するには根本的に不十分であった。[ 2 ]： 200
ドルトンの方法のいくつかの問題点は、ジョセフ＝ルイ・ゲイ＝リュサックとアメデオ・アボガドロによって修正されました。彼らは、プルーストとドルトンが化学のために開発した法則と同様の、気体の比率法則を開発しました。[ 2 ]： 202 1811年、アボガドロは、温度と圧力が同じであれば、任意の2つの気体の等しい体積には等しい数の分子が含まれる（つまり、気体の粒子の質量は、それが占める体積に影響しない）と提唱しました。[ 9 ]現在ではアボガドロの法則と呼ばれるアボガドロの仮説は、気体元素の分子の相対的な重さを推測する方法を提供しました。なぜなら、仮説が正しければ、相対的な気体の密度は、気体を構成する粒子の相対的な重さを直接示すからです。この考え方は、第2の仮説に直接つながりました。特定の元素気体の粒子は原子のペアであり、化学反応を起こすと、これらの分子はしばしば2つに分裂します。例えば、2リットルの水素が1リットルの酸素と反応して2リットルの水蒸気を生成するという事実（一定の圧力と温度の場合）は、1つの酸素分子が2つに分裂して2つの水分子を形成することを示唆しています。これにより、水の正しい式はH₂Oであり、HOではありません。アボガドロは酸素の原子量を15.074と測定しました。[ 2 ]： 203 [ 10 ]
ドルトンの原子論は広く関心を集めたものの、普遍的な受容には至らなかった。[ 2 ]： 203
一つの問題は、統一された命名法がなかったことである。「原子」という言葉は不可分性を意味するが、ドルトンは原子を、元素や物質そのものだけでなく、あらゆる化学物質の究極的な粒子と定義した。これは、二酸化炭素のような「化合物原子」は「元素原子」とは対照的に分割できることを意味した。ドルトンは「分子」という言葉を「縮小形」とみなして嫌った。[ 2 ] : 201 [ 11 ] : 288アメデオ・アボガドロは正反対のことをした。彼は著作の中で「分子」という言葉だけを使用し、「原子」という言葉を避け、「元素分子」という用語を使用した。[ 2 ] : 202ヨンス・ヤコブ・ベルセリウスは、3つ以上の元素を含む粒子を指すのに「有機原子」という用語を使用した。これは、有機化合物にのみ存在すると考えていたからである。ジャン＝バティスト・デュマは「物理原子」と「化学原子」という用語を使用した。 「物理的原子」とは、温度や圧力などの物理的手段では分割できない粒子であり、「化学的原子」とは、化学反応によって分割できない粒子である。[ 12 ] [ 2 ]： 203
原子と分子の現代的な定義、すなわち原子は元素の基本粒子であり、分子は原子の集合体であるという定義は、19世紀後半に確立されました。重要な出来事の一つは、 1860年にドイツで開催されたカールスルーエ会議です。これは化学者による初の国際会議であり、その目的は化学界における一定の基準を確立することでした。原子と分子の現代的な区別を提唱した主要な人物の一人がスタニスラオ・カンニッツァーロでした。
様々な分子を構成する特定の元素の様々な量は、常に分割不可能な実体として現れる基本量の整数倍であり、その基本量は適切に原子と名付けられるべきである。
—スタニスラオ・カニッツァーロ、1860 [ 2 ] : 207
原子論に対する2つ目の反論は哲学的であった。19世紀の科学者は原子を直接観察する方法を持っていなかった。彼らはドルトンの倍数比例の法則のような間接的な観察を通して原子の存在を推論した。一部の科学者は実証主義の哲学に沿った立場を取り、科学者は宇宙のより深い真実を推論しようとするのではなく、直接観察できるパターンを体系化することだけをすべきだと主張した。[ 2 ]： 232
この世代の反原子論者は、大きく2つの陣営に分けられる。マルセラン・ベルテロ[ 2 ] : 226のような「等価論者」は、等価重量の理論が科学的目的には十分であると信じていた。プルーストの定比例の法則を一般化したこの理論は、観察結果を要約したものであった。例えば、水素1グラムは酸素8グラムと結合して水9グラムを形成するため、酸素の「等価重量」は8グラムである。これらの考え方は、根底にある原子論的説明を受け入れずに、化学者によって広く用いられた[ 13 ] 。一方、エルンスト・マッハやヴィルヘルム・オストヴァルト のような「エネルギー論者」は、現実に関する仮説そのものに哲学的に反対していた。彼らの見解では、熱力学の一部としてのエネルギーのみが物理モデルの基礎となるべきである[ 2 ] : 237。
これらの見解は、19世紀後半に起こった2つの重要な進歩、すなわち周期表の発展と、分子がその性質を決定する内部構造を持つことの発見によって最終的に覆された。[ 2 ]：226
ドルトンの原子は「基本的」であり、各元素は固有の原子量を持ち、その元素のすべての原子は同一であった。[ 14 ]： 2 1815年、ウィリアム・プラウトは、原子量に現れる整数比は、すべての物質がプロタイルと呼ばれる原始元素の組み合わせで構成されているという根本的な現実から生じると推測した。彼はプロタイルを水素と同一視した。原子量の第一人者であるベルセリウスは、綿密な測定により原子量が整数比ではないことが分かると反論した。[ 7 ]： 89こうしてプラウトの仮説は当時ドルトンの仮説に取って代わられたが、プラウトの考えは科学者の興味を引き続け、彼の推測は1912年にフランシス・アストンによって部分的に検証されることになる。 [ 15 ]
1860年代から1890年頃まで、ウィリアム・トムソンが最初に提唱し、 JJトムソンが拡張した理論では、原子は遍在する連続流体媒体中の渦として捉えられていました。この考え方は、物質を摩擦のない流体中の安定した回転として捉え、概念を視覚的に説明するために使用された煙の輪に似ているというものでした。 [ 16 ] : 38この数学的定式化は、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツの渦流体力学理論に基づいて構築されましたが、ヘルムホルツ自身はこの原子論の支持者ではありませんでした。[ 16 ] : 40この理論は、概念的にも時間的にも光を伝えるエーテルの理論の台頭と重なっていましたが、2つの理論は同一ではありませんでした。[ 16 ] : 49この理論は数学に大きな影響を与え、例えば結び目の理論を刺激したが、 [ 16 ] : 46その提唱者たちは最終的に渦は安定していないと結論づけ、さらにこの理論は磁気や重力などの現象を説明できないと結論づけた。[ 16 ] : 75
科学者たちは、化学組成が全く同じでも性質が異なる物質が存在することを発見した。例えば、1827年にフリードリヒ・ヴェーラーは、雷酸銀とシアン酸銀はどちらも銀107、炭素12、窒素14、酸素16から構成されていることを発見した（現在では、これらの化学式はどちらもAgCNOとして知られている）。1830年、イェンス・ヤコブ・ベルセリウスはこの現象を説明するために異性体という用語を導入した。1860年、ルイ・パスツールは、異性体の分子は同じ原子セットを持つが、配置が異なる可能性があるという仮説を立てた。[ 2 ]： 230
1874年、ヤコブス・ヘンリクス・ファン・ト・ホッフは、炭素原子が他の原子と四面体配置で結合すると提唱した。この考えに基づき、彼は有機分子の構造を説明し、化合物が持つ異性体の数を予測できるようにした。例えば、ペンタン（C 5 H 12）を考えてみよう。ファン・ト・ホッフの分子モデル化の方法では、ペンタンには3つの可能な配置があり、科学者たちは実際にペンタンの3つの異性体だけを発見した。[ 3 ] : 147 [ 17 ]
異性体は、ラジカル理論や型の理論など、原子理論以外の理論では完全に説明できないものであった。 [ 18 ] [ 19 ]
1869年、ドミトリ・メンデレーエフは、元素を原子量順に並べると、一定の周期性があることを報告した。[ 20 ] : 117例えば、2番目の元素であるリチウムは、9番目の元素であるナトリウム、16番目の元素であるカリウムと似た性質を持ち、周期は7であった。同様に、ベリリウム、マグネシウム、カルシウムも似ており、メンデレーエフの周期表で互いに7つ離れていた。これらのパターンを利用して、メンデレーエフは、後に自然界で発見されたスカンジウム、ガリウム、ゲルマニウムといった新しい元素の存在と性質を予測した。[ 20 ] : 118さらに、周期表は、原子が他の元素の原子と何個結合できるかを予測することができた。例えば、ゲルマニウムと炭素は周期表で同じグループに属しており、それらの原子はそれぞれ2つの酸素原子と結合する（GeO2とCO2 ）。メンデレーエフは、これらのパターンが原子量によって元素を分類できることを示しており、原子論を裏付けるものであると発見した。周期の途中に新しい元素を挿入すると、その周期と次の周期との平行性が崩れ、ドルトンの倍数比例の法則にも違反することになる。[ 21 ]
周期表の元素は、もともと原子量の増加順に並べられていました。しかし、化学者たちはいくつかの箇所で、隣接する元素の位置を入れ替えて、似た性質を持つ他の元素と同じグループになるようにしました。例えば、テルルはヨウ素よりも重い（127.6対126.9）にもかかわらず、ヨウ素が他のハロゲンと同じ列に入るように、テルルはヨウ素より前に配置されています。現代の周期表は原子番号に基づいており、これは原子核の電荷に相当します。この変更は原子核の発見を待たなければなりませんでした。[ 22 ] : 228 また、メンデレーエフが周期表を考案した当時は希ガスが発見されていなかったため、周期表の1行全体が示されていませんでした。[ 22 ] : 222
1738年、スイスの物理学者で数学者のダニエル・ベルヌーイは、気体の圧力と熱はどちらも分子の運動によって引き起こされると仮定した。彼は自身のモデルを用いて、 一定温度における理想気体の法則を予測し、温度は粒子の速度に比例すると示唆した。この成功はその後発展しなかったが、その理由の一つは、当時新しく登場した微積分学の手法によって、気体の連続モデルを用いた研究がより進展したためである。[ 23 ]： 943
原子論の熱心な提唱者であったジェームズ・クラーク・マクスウェルは、1860年と1867年に運動論を復活させた。彼の重要な洞察は、気体中の粒子の速度が平均値の周りで変動し、分布関数の概念を導入することであった。[ 23 ] : 944 [ 24 ] 1800年代後半、ルートヴィヒ・ボルツマンは原子モデルを用いて運動論を熱力学、特にエントロピーに関する第二法則に適用した。ボルツマンは、エネルギーが現実の基本量であると考えていたエルンスト・マッハやヴィルヘルム・オストヴァルトのようなエネルギー論者など、当時の主要な批判者に対して原子論的仮説を擁護した。 [ 25 ]しかし、原子モデルは熱力学理論の発展に不可欠ではなかった。これは、ジョサイア・ウィラード・ギブスが1902年の著書『統計力学の基本原理』で統計力学を導入したときに明らかになった。ギブスの論理的かつ形式的な新しいアプローチの展開は、特に原子仮説を必要としないようにした。[ 23 ] : 992アルベルト・アインシュタインは、ギブスと似たアプローチを独自に開発したが、目的は全く異なっていた。アインシュタインは、運動論を通して原子仮説を検証する方法を見つけようとした。彼は最終的にブラウン運動に関する論文で成功した。[ 26 ]
1827年、イギリスの植物学者ロバート・ブラウンは、水中に浮遊する花粉粒の中の塵粒子が、特に理由もなく絶えず揺れ動いていることに気づいた。1905年、アインシュタインはこの動きは水分子が花粉粒を絶えず叩きつけていることが原因であると理論づけ、それを記述する数学モデルを開発した。[ 26 ]このモデルは1908年にフランスの物理学者ジャン・ペランによって実験的に検証され、彼はアインシュタインの方程式を用いて原子の大きさを測定した。[ 27 ]
原子は物質の最小単位と考えられていたが、1899年にJJトムソンが陰極線の研究を通して電子を発見した。[ 22 ] : 86 [ 4 ] : 364
クルックス管は、真空によって隔てられた2つの電極を備えた密閉ガラス容器です。電極間に電圧をかけると陰極線が発生し、管の反対側の端のガラスに当たった部分に光る斑点ができます。トムソンは実験を通して、陰極線が電場や磁場によって偏向されることを発見しました。これは、陰極線が光の一種ではなく、非常に軽い荷電粒子で構成されており、その電荷が負であることを意味していました。トムソンはこれらの粒子を「微粒子」と呼びました。彼は、これらの粒子の質量電荷比が、最小の原子である水素原子のそれよりも数桁小さいことを測定しました。この比率は、電極の材質や管内の微量ガスの種類に関係なく同じでした。[ 32 ]
これらの微粒子とは対照的に、電気分解またはX線照射によって生成された正イオンは、電極の材質や反応室内のガスの種類によって質量電荷比が変化するため、異なる種類の粒子であることが示された。[ 4 ]： 363
1898年、トムソンはイオンの電荷を約6 × 10 −10静電単位（2 × 10 −19クーロン）と測定した。[ 22 ] : 85 [ 33 ] 1899年、彼は金属に紫外線が当たることによって生じる負の電気（現在では光電効果として知られている）が陰極線と同じ質量電荷比を持つことを示し、その後、イオンの電荷を決定するために以前に用いた方法を紫外線によって生成される負の電気粒子に適用した。[ 22 ] : 86この組み合わせにより、電子の質量は水素イオンの0.0014倍であることを示した。[ 34 ]これらの「微粒子」は非常に軽いにもかかわらず非常に多くの電荷を帯びていたため、トムソンはこれらが電気の基本粒子に違いないと結論付け、そのため他の科学者たちは、 1894年にジョージ・ジョンストン・ストーニーが電気電荷の基本単位に名前を付ける提案をしたことに従い、これらの「微粒子」を代わりに電子と呼ぶことにした。 [ 35 ]
1904年、トムソンは原子の新しいモデルを記述した論文を発表した。[ 36 ]電子は原子内に存在し、電流の作用で連鎖的に原子から原子へと移動する。電子が流れない場合、原子を電気的に中性にするためには、原子内の何らかの正電荷源によって負電荷が相殺されなければならない。この正電荷源について手がかりがなかったため、トムソンは、原子は球形であり、正電荷は原子全体に存在すると暫定的に提案した。これは、入手可能な証拠（または証拠の欠如）に適合する数学的に最も単純なモデルであった。[ 37 ]静電気力のバランスにより、電子はこの球全体にほぼ均等に分布する。トムソンはさらに、イオンは電子が過剰または不足している原子であると説明した。[ 38 ]
トムソンのモデルは、電子が正電荷の球全体にプラムプディングの中のレーズンと同じ密度で分布しているという考えに基づいて、プラムプディングモデルとして広く知られています。トムソンも彼の同僚もこのアナロジーを使ったことはありません。これは、大衆科学の著者の思いつきだったようです。[ 39 ]このアナロジーは、正の球が固体のようなものであることを示唆していますが、トムソンはそれをゼリーに例え、電子が静電気力によって支配されるパターンでその中で動き回ると提案しました。[ 40 ] [ 41 ] : 257トムソンのモデルにおける正の帯電は一時的な概念であり、最終的には電子の何らかの現象によって説明されることを期待していました。当時のすべての原子モデルと同様に、トムソンのモデルは不完全であり、発光スペクトルなどの原子の既知の特性を予測することはできませんでした。[ 42 ]
1910年、ロバート・A・ミリカンとハーベイ・フレッチャーは、電子の電荷を分離して測定した油滴実験の結果を報告した。 [ 43 ]数年にわたる慎重な測定により、電荷は-4.774 × 10 −10 esuであることがわかった。[ 44 ]
1800年代後半、原子の構造に関する考察には、軌道を回る荷電電子を持つ惑星モデルが含まれていた。[ 45 ]： 35 これらのモデルは重大な制約に直面した。1897年、ジョセフ・ラーモアは、加速する電荷は古典電磁気学に従ってエネルギーを放射することを示した。これはラーモアの公式として知られる結果である。軌道上に留まることを強いられた電子は絶えず加速しているため、機械的に不安定になる。ラーモアは、適切に配置された複数の電子の電磁効果は互いに打ち消し合うと指摘した。したがって、古典電磁気学に基づくその後の原子モデルは、このような特別な多電子配置を採用する必要があった。[ 46 ]： 113
1903年、長岡半太郎はトムソンのプラムプディングモデルに異議を唱え、「土星型」モデルを提唱した。このモデルは、電子電荷の1万倍の正電荷を持つ巨大な原子中心が、土星の環に似た電子の環に囲まれているというものだった。このモデルは広く議論され、ジョージ・ショットによる詳細な研究では、原子スペクトルを正しく予測できないと主張された。長岡自身は1908年にこの提案を放棄した。[ 45 ]： 38
1910年、アーサー・エーリッヒ・ハースは、正電荷の球の表面を電子が周回する水素原子のモデルを提案した。このモデルはトムソンのプラムプディングモデルに似ていたが、ハースは根本的に新しいひねりを加えた。彼は電子のポテンシャルエネルギーを制限し、半径aの球面上で、電子の球面上の軌道の周波数fにプランク定数を掛けた値に等しくなるようにする: [ 22 ] : 197 ここで、eは電子と球の電荷を表す。ハースはこの制約を力の釣り合いの式と組み合わせた。電子と球の間の引力は遠心力と釣り合う。 ここでmは電子の質量である。この組み合わせは球の半径とプランク定数を関連付ける。 ハースは、当時の水素原子の半径の値を用いてプランク定数を求めた。3年後、ボーアは異なる解釈で同様の方程式を用いた。ボーアはプランク定数を既知の値として扱い、その方程式を用いて水素原子の基底状態における電子の軌道半径aを予測した。この値は現在、ボーア半径と呼ばれている。[ 22 ]： 197
1911年、ジョン・ウィリアム・ニコルソンは、 JJトムソンのプラムプディングモデルに倣った古典電気力学に基づく原子モデルを発表したが、負の電子が球状ではなく正の原子核の周りを軌道運動するという点では異なっていた。このシステムがすぐに崩壊するのを避けるため、ニコルソンは電子がペアで存在し、各電子の回転加速度が軌道全体で一致するようにする必要があると要求した。[ 47 ] : 163
ニコルソンは天体物理学的分光分析に基づいてモデルを開発した。[ 48 ]彼は観測されたスペクトル線周波数を原子内の電子の軌道と関連付けた。彼が採用した関連付けは、原子電子の軌道角運動量をプランク定数と結びつけた。プランクはエネルギーの量子に焦点を当てたが、ニコルソンの角運動量量子は軌道周波数と関連している。この新しい概念によって、プランク定数は初めて原子的な意味を持つようになった。[ 47 ]： 169
ニコルソンのモデルは今日ではほとんど議論されないが、重要なボーアの量子原子モデルに大きな影響を与えた。[ 45 ] : 42ニコルソンのスペクトル結果は実験とよく一致しており、ボーアは後の理論でこれらの結果に対処せざるを得なかった。1913年までにボーアはアルファ粒子のエネルギー損失の分析から、水素にはニコルソンのモデルで要求されるような対になった電子ではなく、単一の電子しかないことをすでに示していた。[ 22 ] : 195 ボーアは1913年の原子に関する論文で、原子にとって量子化された角運動量が重要であることをニコルソンが発見したと引用している。[ 49 ]ボーアの量子化は、放出を軌道周波数に直接関係するのではなく、水素のエネルギー準位の差と関連付けることになる。[ 50 ]
トムソンのプラムプディングモデルは、 1911年に彼の元教え子の一人であるアーネスト・ラザフォードによって異議を唱えられ、彼は新たな実験データを説明する新しいモデルを提示した。この新しいモデルは、後に原子核と呼ばれることになる電荷と質量の集中した中心を提唱した。[ 41 ]： 296
アーネスト・ラザフォードと彼の同僚であるハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンは、アルファ粒子（ラジウムなどの特定の放射性物質から放出される正電荷を持つ粒子）の電荷質量比を測定する装置を製作しようとした際に困難に直面した後、トムソンモデルに疑問を抱くようになった。アルファ粒子は検出室内の空気によって散乱され、測定結果が信頼できないものとなった。トムソンは陰極線の研究において同様の問題に直面しており、装置内にほぼ完全な真空を作り出すことで解決していた。ラザフォードは、アルファ粒子は通常電子よりもはるかに大きな運動量を持つため、同じ問題に遭遇するとは考えていなかった。トムソンの原子モデルによれば、原子内の正電荷はアルファ粒子を偏向させるほど強い電場を生み出すほど集中していない。しかし、散乱が起こったため、ラザフォードらはこの散乱を注意深く調査することにした。[ 51 ]： 64
1908年から1913年にかけて、ラザフォードとその同僚は、アルファ粒子のビームを金属の薄い箔に照射する一連の実験を行った。彼らは、アルファ粒子が90°を超える角度で偏向するのを発見した。トムソンのモデルによれば、すべてのアルファ粒子は無視できるほどの偏向で通過するはずだった。ラザフォードは、原子の正電荷はトムソンが考えていたように原子の体積全体に分布しているのではなく、中心の小さな原子核に集中していると推論した。この原子核は、原子の質量の大部分も担っている。高い質量によって固定されたこのような強い電荷の集中だけが、観測されたようにアルファ粒子を偏向させるのに十分な強い電場を生み出すことができる。[ 51 ]ラザフォードのモデルは、多くの科学者には馴染みのない散乱データに主に支えられていたため、ニールス・ボーアがラザフォードの研究室に加わり、電子の新しいモデルを開発するまで普及しなかった。[ 41 ]： 304
ラザフォードモデルは、アルファ粒子の散乱が原子電荷の二乗に比例すると予測した。ガイガーとマースデンは、箔の材料（金、アルミニウムなど）の原子量の半分に電荷を設定することに基づいて分析を行った。アマチュア物理学者のアントニウス・ファン・デン・ブルークは、電荷と原子量の順序における元素の数値シーケンスの間にはより正確な関係があることに気づいた。シーケンス番号は原子番号と呼ばれるようになり、周期表を整理する際に原子量に取って代わった。[ 52 ] [ 53 ]
ラザフォード、ガイガー、マースデンの研究と同時期に、グラスゴー大学の放射化学者フレデリック・ソディは放射性物質に関する化学関連の問題を研究していた。ソディはマギル大学でラザフォードと共に放射能の研究をしていた。[ 54 ] 1910年までに、ウランから鉛までの間に放射性元素と呼ばれる約40種類の異なる放射性元素が特定されたが、周期表では11種類の元素しか認められていなかった。放射性元素メソトリウムまたはトリウムXをラジウムから化学的に分離する試みはすべて失敗に終わった。ソディはこれらの元素は化学的に同じ元素であると結論付けた。マーガレット・トッドの提案により、ソディはこれらの化学的に同一の元素を同位体と呼んだ。[ 55 ] [ 56 ] : 3–5 1913年、ソディと理論家のカジミエシュ・ファヤンスは独立に、アルファ崩壊を起こす元素は周期表で左に2つ離れた元素を生成し、ベータ崩壊を起こす元素は周期表で右に1つ離れた元素を生成するという置換法則を発見した。放射能の研究と同位体の発見により、ソディは1921年のノーベル化学賞を受賞した。[ 57 ]
1919年以前は、非常に多くの原子の平均原子量しか得られなかった。同年、フランシス・アストンは、 J・J・トムソンが電気場と磁場による正電荷原子の偏向を測定するために作った装置の改良型である、最初の質量分析計を製作した。アストンはその後、ネオン、20、 C、NNeと22アストンは、同位体がウィリアム・プラウトの整数法則に合致することを発見した。すなわち、すべての同位体の質量は水素の整数倍である。[ 58 ] [ 59 ]
重要なことに、この整数ルールの唯一の例外は水素自身であり、その質量値は 1.008 であった。超過質量は小さかったが、実験的不確実性の範囲をはるかに超えていた。アストンらは、この差は原子の結合エネルギーによるものであることに気づいた。多数の水素原子が結合して原子を形成すると、その原子のエネルギーは個々の水素原子のエネルギーの合計よりも小さくなければならない。質量エネルギー等価原理によれば、この失われたエネルギーは、原子質量がその構成要素の質量の合計よりもわずかに小さくなることを意味する。[ 59 ] アストンの同位体に関する研究は、多数の非放射性元素における同位体の発見と整数ルールの提唱により、1922 年のノーベル化学賞をもたらした。[ 60 ]
1913 年以前、化学者たちは、化学的性質は原子量から導かれるというメンデレーエフの原理に従っていた。しかし、周期表のいくつかの箇所はこの概念と矛盾していた。例えば、コバルトとニッケルは逆になっているように見えた。[ 61 ] : 82また、原子量と核電荷の関係を理解しようとする試みもあった。ラザフォードは、自身の研究室での実験から、ヘリウムは核電荷が 2、質量が 4 でなければならないことを知っていた。この 1:2 の比率はすべての元素に当てはまると予想されていた。1913 年、アントニウス・ファン・デン・ブルークは、周期表は原子量ではなく、電荷Zで表され、Z は元素の原子量のちょうど半分ではないという仮説を立てた。[ 22 ] : 228 これにより、コバルトとニッケルの問題は解決した。コバルト（Z=27、質量58.97）を、より重いニッケル（Z=28、質量58.68）よりも前に配置することで、化学的挙動から予想される順序が得られた。[ 62 ]： 180
1913年から1914年にかけて、モーズリーはX線分光法を用いてブロエクの仮説を実験的に検証した。彼は、特定の元素のX線スペクトルの中で最も強い短波長線（Kα線として知られる）が、その元素の電荷、すなわち原子番号Zと関連していることを発見した。[ 63 ]モーズリーは、多くの元素において、放射線の周波数が原子番号と単純な形で関連していることを発見した。[ 64 ] [ 62 ]： 181
ラザフォードは実験を通して原子核の存在を推論したが、その周囲に電子がどのように配置されているかについては何も述べていなかった。1912年、ニールス・ボーアはラザフォードの研究室に加わり、原子の量子モデルの研究を始めた。[ 22 ] : 19
マックス・プランクは1900年に、 アルベルト・アインシュタインは1905年に、光エネルギーは量子（単数形はquantum）と呼ばれる離散的な量で放出または吸収されると仮定した。これにより、1910年のアーサー・エーリッヒ・ハースの原子モデル[ 22 ] : 197や、1912年のジョン・ウィリアム・ニコルソンの 原子モデル（角運動量をh / 2πとして量子化）[ 65 ] [ 66 ]など、量子的な側面を持つ一連の原子モデルが生まれた。重要なことに、ニコルソンは原子スペクトル線をうまく再現しており、これはボーアのモデルも克服する必要のある課題であった[ 50 ]。ボーアは友人からバルマーのスペクトル線データに関する簡潔な公式について知ったとき、自分のモデルが詳細にそれに一致することにすぐに気づいた[ 47 ] : 178
1913年、ボーアは、2つの仮説に基づいて原子モデルを発展させた3部作の論文を発表しました。1) 電子は「量子飛躍」によってのみ状態を変化させることができ、2) その飛躍はプランクの関係に従って光の放出に対応する。[ 22 ] : 199 [ 67 ] これらの仮定により、古いモデルの不安定性は無関係になり、マクスウェルの古典的電気力学は無効とみなされます。[ 22 ] : 199ボーアは、簡略化のために円軌道を使用して、バルマーのスペクトル式を導出することができました。バルマーの式には、現在リュードベリ定数として知られる定数が含まれており、その値は実験結果との一致によってのみ知られています。ボーアは原子モデルに基づいて導出を提供し、その結果は彼のモデルを支持する実質的な証拠とみなされました。[ 68 ] : 62ボーアはまた、周期表の構造と化学結合の側面を説明するためにモデルを使用しました。これらの結果が相まって、ボーアのモデルは1915年末までに広く受け入れられるようになった。[ 68 ]： 91
ボーアのモデルは完璧ではなかった。水素のスペクトル線しか予測できず、多電子原子のスペクトル線は予測できなかった。 [ 69 ]さらに悪いことに、水素スペクトルのすべての特徴を説明することさえできなかった。分光技術が向上するにつれて、磁場を印加するとスペクトル線がボーアのモデルでは説明できない方法で増殖することが発見された。1916年、アーノルド・ゾンマーフェルトは余分な発光線を説明するためにボーアのモデルに楕円軌道を追加したが、これによりモデルの使用が非常に困難になり、より複雑な原子を説明することは依然としてできなかった。[ 70 ] [ 71 ]
1815年、ウィリアム・プラウトは、既知の元素の原子量が水素の原子量の倍数であることに気づき、すべての原子は水素の集合体であり、彼はそれを「プロタイル」と名付けた。塩素原子の平均質量が35.45ダルトンであるなど、このパターンから逸脱する元素がいくつか見つかったとき、プラウトの仮説は疑問視されたが、1913年に同位体が発見されると、プラウトの観察は再び注目を集めた。[ 42 ]
1917年、ラザフォードは窒素ガスにアルファ粒子を照射し、ガスから水素イオンが放出されるのを観測した。ラザフォードは、アルファ粒子が窒素原子の原子核に衝突し、水素イオンが分離したと結論付けた。[ 72 ] [ 73 ]
これらの観察結果から、ラザフォードは水素原子核が電子の負電荷に等しい正電荷を持つ単一の粒子であると結論づけた。「陽子」という名称は、1920年にカーディフで行われた物理学者仲間との非公式な会合でラザフォードによって提案された。[ 74 ]
原子核の電荷数は、周期表上の元素の順序に等しいことがわかった。このように、原子核の電荷数は、化学元素を化学反応によってより単純な物質に分解できない物質と定義したラヴォアジエの古典的な定義とは対照的に、化学元素を互いに区別する単純明快な方法を提供した。電荷数または陽子数は、その後、その元素の原子番号と呼ばれるようになった。1923年、国際化学元素委員会は、原子番号を化学元素の識別特性として正式に宣言した。[ 75 ]
1913年頃から、アルファ粒子が原子核から放出されるという概念は、これらの粒子が原子核内に存在するという考えにつながった。ファン・デン・ブルークは、異なる元素間でのアルファ粒子の散乱データが原子量ではなく原子番号に従うことに気づき、原子核には電子も存在するに違いないと結論付けた。この「原子核電子仮説」は、初期の原子核物理学モデルの基礎となった。この仮説は、アルファ粒子の安定性と、当時新たに発見された異性体を説明することができた。そして、中性子が発見されるまで、陽子と電子の組み合わせとしての原子核の数多くのモデルを支えた。[ 76 ]： 19
1924年、ルイ・ド・ブロイは、すべての粒子、特に電子のような素粒子には波動が伴うと提唱した。この考えに魅了されたエルヴィン・シュレーディンガーは、電子を点ではなく波動関数として記述する方程式を開発した[ 77 ]。このアプローチは、ボーアモデルでは説明できなかった多くのスペクトル現象を予測したが、視覚化が難しく、反対に直面した[ 78 ] 。批判者の一人であるマックス・ボルンは、シュレーディンガーの波動関数は電子の物理的な広がり（古典電磁気学における電荷分布のようなもの）を記述するのではなく、測定時に電子が特定の点に存在する確率を与えるものだと提唱した[ 79 ] 。これにより、波動的な電子と粒子的な電子という概念が調和した。つまり、電子、あるいは他の素粒子の振る舞いは、波動的な側面と粒子的な側面の両方を持ち、どちらの側面が観測されるかは実験によって決まるということである[ 80 ] 。
水素のシュレーディンガーの波動モデルは、ボーアの円軌道を原子軌道に置き換え、原子核の周りの位置で電子を見つける確率のみを与えます。軌道は、エネルギーレベルと角運動量に応じてさまざまな形状になります。[ 81 ]原子軌道の形状は、シュレーディンガー方程式を解くことによって求められます。[ 82 ]水素原子や水素分子イオンなどの水素様原子については、シュレーディンガー方程式の解析解が知られています。[ 83 ] 2つの電子しか持たないヘリウム原子から始めて、数値的手法を使用してシュレーディンガー方程式を解きます。[ 84 ]
定性的に見ると、多電子原子の原子軌道の形状は水素原子の状態に似ている。パウリの排他原理は、これらの電子を原子軌道内に配置する際に、どの軌道にも2個以上の電子が割り当てられないようにすることを要求している。この要求は原子の性質、ひいては原子が分子を形成する際の結合に大きな影響を与える。[ 85 ]： 182
1920年代の物理学者たちは、原子核には陽子に加えて、全体の電荷を減らす多数の「核電子」が含まれていると信じていた。これらの「核電子」は、原子核の周りを軌道運動する電子とは別物であった。この誤った仮説は、元素の原子番号が原子量よりも小さい理由や、放射性元素が核崩壊の過程で電子（ベータ線）を放出する理由を説明できたはずである。ラザフォードは、陽子と電子が「中性二重項」に強く結合できるという仮説さえ立てた。ラザフォードは、反発する電場のために単独の陽子が大きな原子核と融合することは難しいことを考えると、宇宙の起源においてより重い元素がどのように形成されたかについて、このような「中性二重項」が空間を自由に移動しているという存在はよりもっともらしい説明を提供するだろうと書いた。[ 86 ]
1928年、ウォルター・ボーテは、ベリリウムにアルファ粒子を照射すると、非常に透過力の高い電気的に中性の放射線が放出されることを観測した。後に、この放射線がパラフィンワックスから水素原子をはじき出すことができることが発見された。当初は、ガンマ線が金属中の電子に同様の効果をもたらすことから、高エネルギーのガンマ線だと考えられていたが、ジェームズ・チャドウィックは、相互作用においてエネルギーと運動量が保存される限り、電離効果が強すぎるため、電磁放射線によるものではないことを発見した。1932年、チャドウィックは水素や窒素などの様々な元素を謎の「ベリリウム放射線」にさらし、反跳する荷電粒子のエネルギーを測定することで、この放射線は実際にはガンマ線のように質量を持たないことはできず、陽子と同程度の質量を持つ電気的に中性の粒子で構成されていると推論した。チャドウィックはこの新しい粒子を「中性子」と名付け、中性子の質量は陽子とほぼ同じで、電子の質量はそれに比べて無視できるほど小さいことから、陽子と電子が融合したものだと考えた。[ 87 ] 1932年末までに、このモデルはドミトリ・イヴァネンコによって異議を唱えられ、彼は中性子が素粒子であると提唱した。このモデルは最終的に現代の原子核理論へと繋がることになる。[ 22 ]： 411
{{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）「もし、何らかの大災害で、すべての科学的知識がたった一文を除いて破壊されたとしたら、 最も少ない言葉で最も多くの情報を含む文はどれだろうか？私は、すべてのものは原子、つまり絶えず動き回る小さな粒子でできており、少し離れているときは互いに引き合い、押し込まれると反発し合う、 ということだと信じている…」 {{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）{{cite journal}}: CS1 maint: bot: 元の URL の状態が不明です (リンク)