量子化学を理解するためにおすすめ!科学史から学ぶ量子論誕生までの軌跡!

2018年11月19日

すみません、SEO対策しようとしたら、タイトルが変になりました。(笑)
「量子科学 おすすめ」がタイトル的に入れたいワードだったんですけど、、、

このページで言いたいのは、量子論ができるまでの時代の流れや科学者の理論について少し書いてみます。

原子とは何か。

紀元前5世紀頃にLeucippusの弟子であったDemocritusが「これ以上分割できないもの」の意味をもつ「$\acute{\alpha}\tau o \mu o$」と命名しました。
しかし、この概念はAristotlesによって否定されてしましました。

この時代には数式でしっかり証明したか、というのは科学史を勉強したことがないのでわかりませんが、哲学によって議題に対して、論法をもちいて論理的に説明しているっていうイメージがあります。これから、科学史についても勉強してみるかな~。

その後、18世紀にイギリスのJohn Daltoが科学的現象を説明するために原子説を導入するまで、原子という概念は顧みなかった。

これ、本当にすごくないですか?最近のスマートフォンや自動車の自動運転に代表されるように、科学技術の発展は著しく速いです。
それが、化学の基本中の基本の概念が2000年以上放置されいた、それを信じようとしなかった、というのが驚きですよね。

宗教によって科学は発展するといいますが、宗教によって科学が停滞するのと表裏一体という一例ですね。

19世紀の科学界のリードサイエンティストであり、スーパースターであり、ドラマティックな人生を歩んだMichel Faradayによる電気分解の実験に関する考察や、J.J. Thomsonによる電子の発見(これは前回の記事で書きましたね)により、これまで最小の単位を考えられてた原子の中に、さらに内部構造(電子、陽子、中性子)があることが明らかになった(実際、さらいに中間子やクウォークなどさらに内部構造をもつことも最近になってわかっている)。

  • 電子の存在があきらかになっている。
  • 原子は電気的に中性な粒子である。

以上より、原子はプラスの電荷をもつ粒子とマイナスの電荷をもつ電子はずである。

Thomsonは、「原子とはプラスの電荷をもつ玉の中に電子が詰まっているもの」だと考えました。
これをThomsonのplums in a pudding model(日本語では、スイカ型原子モデルといいます。)

これに対して、日本の長岡半太郎とE. Rutherfordはプラスに帯電した原子核の周りを電子がまわっているモデルを考えました。

これを太陽系型(または、土星型)原子モデルといいます。

長岡半太郎は東大教授で、雷オヤジとして有名です。アインシュタインブームの時には、宮中で相対性理論の講義をしています。
また、ボルツマンの下で研究もしています。

また、長岡は東北大学設立時の教授を選任する職に任命されています。本当にすごい科学者なんです。

東大の理学部黎明期を支えた田中館愛橘の助教授なった年にに長岡は入学し、指導を受けました。この田中館愛橘についてはどこかで記事を書きたいのですが、石川が生んだ科学界のスーパースター寺田寅彦も彼の指導を受けていますj(寺寺田寅彦の雪の博物館はおすすめです)。

一応、田中館について以下のPDFを載せときます(17ページをみてみてください)。

スイカ?それとも土星?

原子の構造がスイカ型なのか太陽型なのかは、1909年のRutherfordの実験によって結論つけられた。
金箔に正電荷を持つ$\alpha$線(ヘリウムの原子核)をあててどれくらいの$\alpha$線が金箔を通り抜けるかを調べた。
すると、$\alpha$線はまっすぐ通り抜けるものだけではなく、進行方向を大きく曲げられたものが観測されました。

この(方向を変えられる)現象は、Thomsonのいうようなスイカ型であったなら起こらないはずです。
プラス電荷をもつ$\alpha$線の方向が変えられるためには、原子中のプラス電荷が移転に集中している必要である。

左の図が、スイカ型モデル、右側が土星型モデルです。
スイカ型モデルでは、引力や斥力が相殺された状態です。そのため、$\alpha$線を放射されても素通りできるということです。
土星型モデルでは、電子が負の電荷、原子核が正の電荷というように、局在的にあるので、$\alpha$線が近づいてきたら引力、斥力が働くわけです。

つまり、原子の構造が土星型であることをがRutherfordの実験結果から明らかになりました。

しかしながら、土星型モデルはRutherfordの実験結果を正しく説明することができますが、重大な欠陥があるように思われました。
電子は負の電荷をもち、原子核は正の電荷をもちます。正の電荷と負の電荷の間には強力な引力(クーロン引力)が働いています。
したがって、正の電荷をもつ原子核の周りを負の電荷をもつ電子が取り巻くためには、電子は原子核の周りをまわっていなければなりません。

回転円運動

回転運動によって遠心力を発生させ、それが原子核とのクーロン引力に釣り合うようにしなければ、電子は原子核に引き込まれて原子は壊れてしまします。
しかし、円運動は時々刻々と速度ベクトルの向けが変わる運動であるから、加速度を持っています。

したがって、原子核の周りをまわる電子は、原子核によってつくられる電場の中を加速度をもって運動する荷電粒子です。

古典力学

それまでに知られていた物理法則にしたがって考えると、加速度を持ちながら電場の中で運動する電荷は電磁波を放射する。電磁波を出せばエネルギーが失われるので、電子の運動エネルギーはだんだん小さくなって、空店億度が遅くなって、原子核に吸い込まれてしまします。

つまり、土星型原子モデルでは、Rutherfordの実験結果を反映するが、安定に存在できないのです。
電磁気学に従って計算すると、このモデルでは、このような構造の原子が生まれて$10^{-12}$秒後に消滅してします。
そのため、この世界はそもそも存在できないという結論になります(この世界は原子からできてますからね。)。

そして、量子論の登場(前期量子論)へ!!!!

おわりに

偉人について、呼び捨てがいいのか、先生と呼ぶのがいいのか、それとも博士とつけるのがいいのか、模索中です。

2018年11月19日

Posted by xxxchem