【高校物理】原子の定義・法則などのまとめ①!

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高校物理の原子の定義・法則などをまとめました。勉強に役立ててもらえれば幸いです。
(申し訳ございません「原子の定義・法則などのまとめ②!」は執筆中です…-_-;)

原子

高校物理の「原子」とは

原子とは、物質の基本的な構成要素の一つであり、化学的な反応において化学的な性質を示す最小単位です。

高校物理の「原子」では原子の構造、原子を構成する電子・原子核、粒子性や波動性などの量子力学の基礎を勉強します。
原子や粒子などの微細な世界の理解は物理現象の解明や最先端技術に応用され、現代社会に必要不可欠な要素となっています。高校物理の「原子」では微細な世界の基礎を勉強する目的があります。

原子

「原子」とは物質の基本的な構成要素の一つであり、化学的な反応において化学的な性質を示す最小単位。
例えば大気にある酸素 (酸素分子 O\(_2\))は2つの酸素原子 Oで構成される。

原子構造

原子はマイナスの電気量を持つ「電子」とプラスの電気量を持つ「原子核」で構成される。原子核はさらにプラスの電気量を持つ「陽子」と電気量を持たない「中性子」で構成される。

通常の状態では電子の数と陽子の数は同じで原子としては電気量が0の状態。

電子

電子

電子は原子を構成する粒子の一つであり、負の電荷を持つ。原子を構成する電子は原子核の周りの軌道上を回っている。
ただし、電子に高いエネルギーを与えたりすると原子に拘束されていた電子が原子が飛び出すことがある。

陰極線

「陰極線」とは真空管などで観測できる電子のビーム (電子ビーム)のことである。この電子ビームは負極(陰極)から発生して陽極方向へ加速されながら移動をする。
加速された電子が蛍光物質に衝突すると、そのエネルギーを放出して蛍光を発する。
また、陰極線は電場や磁場の影響を受けて曲がることがあり、これを利用して電子の挙動を研究したり、ディスプレイやCRT(陰極線管)などの技術に応用される。

トムソンの実験と比電荷

「トムソンの実験」は放電管内で陰極線を観察することで、電子の存在を示しました実験である。トムソンは放電管の中に電圧をかけて陰極線を発生させ、それに磁場によって曲がることを観察した。さらに、電場を加えることで陰極線の曲がり方が変化することも発見した。この変化から電荷と質量の比である「比電荷 e/m [C/kg]」がわかり、この比電荷が陰極に用いる金属や気体の種類によらず常に一定の値であることを発見した。この結果から物質の中には負の電荷を持った共通の粒子 (電子)を含むことが示された。

ミリカンの油滴実験と電気素量

「ミリカンの油滴実験」は電子の電気量 (電気素量)を求める実験である。
この実験では電場がかかっている場所に霧吹きで油滴を作って、さらにその油滴に電荷を与えることで重力と電場によってかかる力が釣り合って油滴が空気中に浮かぶ。この状態で電界をなくすと油滴は落下する。このときの油滴の速度を観測することで油滴に与えられた電気量がわかる。この実験の何度も繰り返すと電気量がある値の整数倍になることを発見した。この電気量の最小単位が「電気素量」で、この実験から電子の電気量 (電気素量)を求めることができた。

原子核

原子核

改めてになるが原子はマイナスの電気量を持つ「電子」とプラスの電気量を持つ「原子核」で構成される。原子核はさらにプラスの電気量を持つ「陽子」と電気量を持たない「中性子」で構成される。
ちなみに原子核は電子の10万分の1程度の大きさである。

原子番号・質量数

原子の種類 (元素)は陽子の数で決まり、この数を「原子番号」という。
また、原子は電子と陽子と中性子で構成されるが、このうちの電子は陽子と中性子と比べるととても軽く、陽子と中性子はほとんど同じ質量を持つ (中性子のほうが若干重い)。そのため原子の質量は陽子と中性子の数で決まり、その数を質量数という。
例えば炭素では原子番号が6、質量数は12で下記のような書き方をする (元素によって原子番号は固定だが、質量数は複数ある)。
$$^{12}_6C$$

核力

陽子は静電気で反発し合うのに原子核でまとまっているのは「核力 (かくりょく)」と呼ばれる静電気以外の力が働いているためである

同位体

同じ元素では陽子の数は同じだが、質量数は異なる原子がある。これは同じ元素でも中性子の数が違うことがあるためである。それらは同位体と呼ばれ、天然で存在する同位体の比率はほとんど一定である。
例えばほとんどの水素の質量数は1だが、質量数が2や3の水素も存在する。これらはそれぞれ重水素、三重水素と呼ばれる。

高校物理まとめ

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