原子入門

原子,陽子,中性子,そして電子

普通のトピックでは，哲学的な疑問がでてくるのは

かなり話が進んでからということが多いものですが

しかし化学では，いきなり最初から，

まあ議論の余地はありますが，全てのトピックの中でも

最も哲学的な疑問からはじまります．それは原子です．

原子というアイデアは，大昔の哲学者が，．．．

探せばあなたもこれを最初に哲学にしたのは誰なのかなどいろいろと

みつけることができると思います．哲学者達が考えたのは，

「もし何か，(そうですね何にしましょうか，)リンゴがあったとして

もしリンゴがあって，それをどんどん切っていったらどうなるか」です．

ちょっとよさそうなリンゴの絵を描いてみます．

これはハートみたいですが．

こうすると．．．

できました．

リンゴがあったとして，それをどんどん半分に切っていくと，

小さく，さらに小さいピースになります．

するといつかは，あまりに小さくなって，

もう半分には切れなくなるでしょう．

哲学者のうちの何人かはきっと，

ナイフを持ってそうしようとしたでしょう．

そして，現実にはなくとも，もう少し鋭いナイフがあれば，

もっと何度も切れるだろうと考えたでしょう．

こうすると，それは完全に哲学的な話になります．

率直に言うと，いろんな面で，それは現在の原子の考えとはそんなに

違っているわけではありません．

それは単なる頭の中での抽象化です．そうすることで

宇宙の中に見られるものごとの多くを記述できるようになります．

しかしとにかく，これらの哲学者うちある人達は，ある点で，

このリンゴのある小さな部分は，

もうこれ以上切れなくなると考えよう，と言いました．

そしてそれをアトム(原子)と読んだのです．

実はリンゴだけではなくて，

宇宙の中に見られるどんな物質，あるいは元素でも

それは本当なのだと言いました．

その言葉，アトムというのはギリシャ語で「切れない」という意味です．

「切れない」または「分割できない」です．

「切れない」

実は私達はそれが切れることを知っています．

切るのは簡単ではありませんが，原子よりももっと小さなものが

あることを私達は知っています．

今では私達は原子は他のもっと基本的な粒子からできていると知っています．

今では私達は原子は他のもっと基本的な粒子からできていると知っています．

それを書いてみましょう．

中性子があります

すぐこの後に，これらがどう原子の構造にフィットするか

書こうと思います．

中性子があり，

陽子があります．

そして電子があります．

電子．

もしかしたらもうこれについてはよく知っているかもしれません．

古い映像で，原子力のプロジェクトなどで，

こんな感じの絵を見たことがあるのではないでしょうか．

ちょっと描いてみます．

こんな感じのものです．

そしてこれらのものが周りをまわっています．

こんな感じでしょう．

これにはこういう軌道のようなものがあります．

こんな感じでしょう．

この原子核の絵の背後にある考えは，

-- そして今でも政府の研究室とか，

そういう所にはまだ今でもきっとこういう絵があると思いますが --

原子核が原子の中心にあるという考えがあります．

原子核が原子の中心にある．

そして，私達は原子核は中性子と陽子からできていることを知っています．

中性子と陽子．

これからどの元素がいくつの中性子といくつの陽子を持っているかについて

話をしていくことになります．

そして軌道をまわっているもの．ここでは今軌道と言いましたが，

約2分後には，実はこの軌道ということは

正しくないことを学びます．

これは頭の中で考えるにしても，それを可視化するにしても

電子がここでしていることとしては間違っていると言えます．

しかしこれらの電子が原子核の周りを

地球が太陽の周りをの軌道をめぐるように，

月が地球の周りの軌道をめぐるようにまわっているという

古い考えがありました．

しかし，それは実は

まったく間違っていました．

量子力学というものを学ぶと，

この考えが間違っていることはわかります．

電子が太陽の周りをめぐるようにモデルを作ると，

矛盾が生じてくるのです．

しかし，これはもともとの考えで，率直に言って，

今でもこのように考える人は多いのではないかと思います．

今でもこのように考える人は多いのではないかと思います．

さて，私は原子は哲学的に興味あると言いました．

どうして哲学的に興味があるのでしょうか?

なぜなら，原子を現在受けいれられている形で見ると

そこから物理的なリアリティと

全ての世界は情報でしかないという考えの間があいまいになっているからです．

そして，そこには日常生活で考えるような

真の物質とか，真の粒子とかがありません．

たとえば私にとって粒子というのは，

砂の粒子のようなものです．

私は粒子をつまんだり，触ったりできます．

その一方で，波，たとえば，音波は

時間で変化するエネルギーにすぎません．

しかしこれから学びますが，特に量子力学まで習うと，

この原子の大きさに近づいていくと，それら2つが

ごちゃまぜになって区別できなくなってきます．

とにかく，これは間違ったものだということは言っておきます．

では，正しい方法は何でしょうか?

これまでにわかったことですが，これが絵です．いや実は本当の絵ではなく

これは考えを図で示したものです．

今原子の絵と言いましたが，それは興味ある質問になりますね．

いったいどうやったら原子の絵が描けるのでしょうか?

私達が見ることができる光の波長は，

原子の大きさよりもずっと大きいです．

原子の大きさよりもずっと大きいです．

全て私達が生活の中でいわゆる「見ることができる」のものは

光の反射で見ています．

しかし原子を扱おうと思うと突然，

反射する光というものは大きすぎる，あるいは

あまりに鈍感なものになります．反射する音で本を読もうとするようなものでしょうか．

とにかく，これはヘリウムの原子の描写です．

ヘリウム原子は2つの陽子と2つの中性子を持ちます．

少なくとも，このヘリウム原子は2つの陽子と

2つの中性子を持ちます．

そしてここに描写されているのは，原子核です．

多分2つの -- ここでは赤が陽子と考えます．

赤が陽子で紫が中性子でしょう．

私には赤よりも紫は中性な色です．

そして，これらは原子の中心にあります．

そしてこのまわりのもやのようなもの，

これがヘリウムの持つ2つの電子です．

あるいは少なくともこのヘリウム原子の持つ電子です．

電子は増えたり減ったりするかもしれません．

しかし，ここには2つの電子があります．

多分あなたは，ヘイ，サル，どうやったら2つの電子がこんなぼやけた，

原子の周りの汚れみたいなものになるんだい?

これこそが正に哲学的に面白いというところです．

原子核の周りの電子の軌跡というような

私達が惑星を見るときのような伝統的な軌道の考えでは，

電子を記述できません．また，こういう大きなスケールの話で

単純に見ることはできません．

電子は実はある時点での

その運動量と場所を厳密に知ることはできません．

私達が知ることができるのは，

それがどこらへんにありそうなのかという確率分布だけです．

ここではそれを絵にしています．より黒い部分がより高い

確率がある．つまり電子はここよりもこちらの方に

あることが多いということです．

しかし電子は実はほとんどどこにでもいることができます．

ここにもあるかもしれません．ここは完全に白い所ですが，

ある，とてもとても，とっても低い確率であるかもしれません．

ある，とてもとても，とっても低い確率であるかもしれません．

そしてこのどこに電子があるという関数は，

軌道関数，オービタルと呼ばれます．

オービタル．

オービットの軌道とは間違えやすいのでここではオービタルと呼んで区別します．

オービタル．

注意して下さい．軌道というのはこんな感じのものです．

それは金星が太陽の周りをまわっているというようなものです．

これは物理的にとても想像しやすいものだと思います．

一方でオービタルは実は数学的な

確率密度関数で，それが示すのは，

どの辺りで電子がみつかりやすいかということです．

量子力学を勉強すると，これについてもっと詳しく考えますが，

しかし，このような化学入門の講座では，

それは難しすぎてやりません．

しかし，面白いとは思いませんか?

このようなスケールでは，電子というものの振る舞いはあまりに奇怪で

あなたがそれを粒子と呼ぶのはほぼ誤解になってしまいます．

それは粒子とは呼ばれていますが，

日常で言うような粒子とはまったく違っています．

それは，どこにそれがあるかを厳密に言うこともできないものです．

このもやのどこにあってもかまいません．

そして後でさらに電子が原子に加わっていくと，

このもやの形が変化することも見ていきましょう．

しかし私にとっては，ここから物質とは何か，または，

私達が見ているものとは何か，それはどれだけリアルなのか?

という哲学的問題がはじまるのです．

それら原子はどれだけリアルなのか．少なくともリアリティを定義できるくらいなのか?

とにかく，ここではあまり哲学的な方にはいかないようにしましょう．

しかし電子，陽子などの考え全ては，

この電荷という考えを使うと全て予測できます．

そしてそれについてはクーロンの法則について習う前に

話をしていきます．

物理のビデオの中にあるクーロンの法則のビデオをおさらいしてもかまいません．

しかし，ここでの考えは電子は

マイナスの電荷を持つということです．

陽子は時々このようにも書かれますが，

プラスの電荷を持っています．

そして中性子は中性で電荷がありません．

それが電子のもともとのモデルの

魅力的なところです．

もし，OK，もしこのものがプラスの電荷を持っているとしましょう．

これは 2 つの中性子と2つの陽子を持っているとしましょう．

ここではこれをヘリウムの原子としましょう．

するとここには何かプラスの電荷があります．

そして何かマイナスの電荷がここにあります．

反対の電荷は引き合います．

すると，もしこのものが同じ速度をもっていると，十分な速度とすると，

それらはこのように軌道をまわるでしょう．

まるで太陽のまわりを惑星がまわるように

しかし私達が学んだように，もしこれらが部分的に本当であっても，

つまり原子核から離れていると電子は

高いポテンシャルエネルギーを持つというのは真になります．

するとそれは原子核に向かって移動します．

これらのメカニズムは全て量子的なレベルなので，

このような単純な軌跡，つまり彗星が太陽のまわりをめぐるような軌跡，

をとることはありません．それは実はこのような波のような

振る舞いをします．それは単に

この確率密度関数だけが記述することができます．

しかし，原子核から遠くにあると

それはさらにポテンシャルエネルギーを持ちます．

これについては後のビデオでもっとやりましょう．

とにかく．どうしたらこれがどの元素かわかるでしょうか?

ちょっと哲学についてばかり話してきたのですが，

しかし，具体的にどうしたらこれがヘリウムとわかるでしょうか?

これが持っている中性子の数でしょうか?

これが持っている陽子の数でしょうか?

これが持っている電子の数でしょうか?

そうですね．答えは，陽子の数です．

もし元素の陽子の数がわかれば，

それが何の元素かわかります．

そして陽子の数は

原子番号として定義されます．

では，私が4つの陽子を持つ何かがあると言ったとしましょう．

それが何かはどうやったらわかるでしょうか?

もし覚えていない場合には，

元素の周期表を見ればわかります．それはこのプレイリストには

数多くでてきます．そして，あなたは周期表を見て，「4つの陽子ですか，

そればベリリウムです．」と言うことができます．

ここにありますね．

原子番号はこの上に書いてある番号のことです．

そして文字通り，これは陽子の数のことです．

これがある原子と他の原子を

別のものとするものです．

もし，15個の陽子があれば，それは燐です．

もし，15個の陽子があれば，それは燐です．

すると突然，もし7つの陽子があれば，

それは窒素です．

もし8つあれば，それは酸素です．

これが元素を定義するものです．

では，後ほどこれらの電荷で何か起こるかということについて話ましょう．

では，後ほどこれらの電荷で何か起こるかということについて話ましょう．

または，原子が電子を得たり失なったりしたらどうなるかもです．

しかし，元素のこの番号は変わりません．

同じように，もし中性子の数が変化しても，

元素としては変化しません．

しかしこれで出てくる明らかな疑問があるでしょう．

原子にはいくつの中性子と電子があるのか?

もし原子に電荷がなければ，それは

陽子と同じ数の電子があるということです．

たとえば，炭素があるとしましょう．

その原子番号は 6 です．

そして，質量数は12 です．

これはいったいどういう意味でしょうか?

今後は中性な粒子を考えるとしましょう．

これは中性な原子です．

炭素の原子番号は 6 です．

それが言うのは，陽子の数が厳密にいくつかという意味です．

つまり，もしここにちょっとしたモデルを描いてみると，

これはまったく正確なモデルではありませんが．

6 つ，-- 2, 3, 4, 5, 6 個の

陽子を中心に描きます．

そして1つの陽子には1原子質量単位があります．

そしてこれが kg と

どう関係しているかについては後で話をしましょう．

それは kg に比べてとても小さいのです．

たしか大体，1 kg の 1.6 × 10 の -27 乗だったと思います．

たしか大体，1 kg の 1.6 × 10 の -27 乗だったと思います．

さて，これらのそれぞれは1原子質量単位があるとしましょう．

そしてそれはおよそ 1.67 × 10 の -27 kg です．

これはとても小さな数です．

実は可視化するのかほぼ不可能なものです．

少なくとも私には難しいです．

これが言うのは，この特定の

炭素原子の全体の質量ですが，

これは実は炭素原子ごとに

違うこともあります

これが基本的に言うのは

陽子と中性子をあわせた質量です．

それぞれの陽子は 1 の原子質量単位を持ち，

原子質量単位では，それぞれの中性子は

1の原子質量単位を持ちます．

すると，これは実は陽子と中性子を

あわせた数です．

するとこの場合，6つの陽子があります．

すると，ここには6つの中性子がなくてはいけません．

6 の中性子と6つの陽子．

では，電子はどうなったのでしょうか?

私はここでは電気的に中性と言ったので，陽子は

電子の持つマイナスの電荷と等しいだけのプラスの電荷を持ちます．

するとこれは中性な原子で，6つの陽子を持ち，

また，6つの電子を持ちます．

それを描いてみます．

ここでは6つの中性子があります．

1, 2, 3, 4, 5, 6.

ここには原子核があります．

そしてもし電子を描くとしたら，そうですね，私は

それをしみのように書くこともできますが，もう少し数として

よく可視化するには，OK，

6つの電子がオービタルにあります．

1, 2, 3, 4, 5, 6.

そしてこれは予想つかない方法で

動きまわっていて，本当は確率密度関数で

表現したほうが良いものです．

そしてこれについて興味あることは，

原子のほとんどの質量は丁度ここにあることです．

もしかしたら気がついたかもしれませんが，

原子の質量について人々が考える時，原子の原子質量単位を考える時には，

電子については無視しています．

というのも陽子の質量は，1つの陽子の質量で言うと，

それは約 1836 個の電子に等しいからです．

原子の質量を考える時，全ての基本的な意味では

電子の質量を無視することができます．

原子の質量として考えなくてはいけないのは，実は原子核の質量です．

原子の質量として考えなくてはいけないのは，実は原子核の質量です．

さて，ここにある周期表を見て，

OK, これには原子番号が上にあります．

酸素の原子番号は 8 です．

つまりそれは8個の陽子があるという意味です．

ケイ素の原子番号は 14 です．

ケイ素には14個の陽子があります．

では，ここにあるのは何ですか?

たとえば，炭素には，

炭素には 12.0107 とあります．

これは炭素の原子の重さ，原子量です．

これを書いてみます．

炭素の原子量．

炭素の原子量は 12.0107 です．

さて，これはどういう意味でしょうか?

これは炭素は6つの陽子と，

その余り，残った 6.0107 個の中性子があるということでしょうか?

中性子にはこの断片があるというのでしょうか?

いいえ．これは地球上でみつかる炭素のさまざまなバージョンの平均です．

いいえ．これは地球上でみつかる炭素のさまざまなバージョンの平均です．

異なるタイプの炭素の地球上でみつかる量を

元にしてその平均をとります．

この値がそうして得られるものです．

この値がそうして得られるものです．

炭素には実は2つの主なタイプがあります．

1つは炭素12です．

それはこんな感じです．

それには6つの陽子と6つの中性子があります．

そして炭素にはもう1つの同位体があります．

同位体，またはアイソトープは同じ元素ですが，

異なる数の中性子を持っています．

もう1つの炭素の同位体は，炭素14です．

それは地球上ではずっと珍しいものです．

この宇宙にはどの位あるのかはわかりませんが，地球上ではそうです．

では，もしこれらの平均とる．．．それは単なる平均ではありません．

もしそうすると炭素13になって，

原子量が13になります．しかし，こちらをもっと重く見て計算します．

なぜなら，こちらの方が地球上にはずっと多くあるからです．

私の言う意味は，これがあなたがみつけられる

ほとんど全ての炭素です．

しかし，こちらもほんの少しだけあります．

つまりもしこれらを適切に重みづけすることができたら，

その平均はこのようになります．

すると，あなたのみつけられる炭素のほとんどは --

もしあなたが炭素をどこかでみつけるとしたら，平均的には，その質量は

原子質量単位で 12.0107 になります．

しかしこの同位体の考えは面白いものです．

思い出して下さい，もし中性子の数を変えても，

実際の基本的な元素は変更していないのです．

その場合には元素の違った同位体，元素の違ったバージョン

が得られるのです．

これら2つのバージョンの炭素はどちらも同位体です．

では，私の考えている原子という考えに一番近いもので

このビデオはこの位にしようと思います．

そしてそれは最も哲学的に興味あることです．

それはこの相対的な大きさ --

この電子，それは原子の質量にはほとんど関係しません．

原子の約 1/2000 の質量が電子です．

そしてこれらでさえ，粒子として描写することも難しいものです．

なぜなら，あなたはこれがどこにあるかと，

これらの粒子がどれだけの速度で動いているかを厳密に言うことはできないものです．

これらは単に確率密度関数です．

ほとんどの原子は原子核の中にあります．

そしてこれは興味深いことです．

もしなたが平均的な原子を見たら，

たとえばこれが私の原子としましょう．

私には2つの原子があって，それらが互いに結びついているとしましょう．

そして私は考えます．このうちのどれだけが本当の「物」なのか?

私は「物」といいましたが，それはいったい何でしょうか．それは実は抽象的な考えです．

なぜなら私達は原子核について話をしていました，そうでしょう?

原子核に全ての質量がある

全部の物があるので，

実は原子の体積のうちの

ほんの微小の部分だけしか --

実は原子の体積というものをどうやって定義するかも難しいことです．というのも

電子はほとんどどこにでもいることができるものですから，しかし

電子のみつかりそうな場所，たとえば90%までの

確率でみつかりそうという場所を原子の大きさと考えると

原子核は，多くの場合，私が考えるところでは，

そのような体積の10000分の1位です．

もしそう考えると，何かものを見た時，

もしあなたの手や壁や，あなたのコンピュータをみると，

それは99.99%は空間です．

何もありません．真空です．

何もありません．真空です．

もしなにかとても小さいもの --

それを粒子か何かと呼んでもいいでしょうが -- そういうものはほとんど

何でもあなたが見えるものを通過してします．

こう考えると，私達の考えている現実が

疑問に思えてきます．

ここにあるものは，-- そしてこれはラザフォードらによって事実とわかっていますが--

もし，どんなものでも構成要素まで下っていくと，

原子のレベルまで下がっていくと，

ほとんどの空間というのは -- ある意味，いわゆる「物」というものは

ほとんど真空の空間です．

この大きさまで下がると，すっと通り抜けてしまうものです．

この大きさまで下がると，すっと通り抜けてしまうものです．

これはヘリウムの原子の絵ですが，ここにあるものは

1 フェムトメートル(1千兆分の1メートル)の長さです．

そうですね?1 フェムトメートル．

そうですね?1 フェムトメートル．

これはヘリウムの原子核の

大きさですね?

1 フェムトメートル．

これは1オングストロームですね?

そして10万フェムトメートルがこれに等しいと言っています．

このスケールの感じをつかむには，1オングストロームは1かける

10 のマイナス10乗です．

原子はおおよそ 1 オングストロームの大きさを持っています．

ヘリウムの場合，原子核は

さらにその一部分でしかありません．

その10万分の1の大きさです．

ですからもしあなたが液体ヘリウムを持っているとすると --

それはかなり冷たくしないといけませんが．

それを見ると，ほとんどはこの空間です．

あなたが鉄の棒を見る時，ほとんど，ほとんどの大部分は，

何もない空間です．

まだ私達は，もしかしたらこの原子核の中にも

空間があるかもしれないことは話していませんが，

たぶんいつかお話することになるでしょう．

しかし私にとって，これは本当に驚きとしか言えません．

目に見えているほとんどのものは実は中身がすかすかなのです．

これらは本当は隙間だらけの空間です．ただ，固く詰まっているように見えているだけです．

なぜなら光はこれらの上で反射し，またここには反発する力があるからです．

なぜなら光はこれらの上で反射し，またここには反発する力があるからです．

しかしここにはある意味，触れるものはないのです．

ここにあるもののほんどは空虚な空間です．

ここでは私はそれを「空間」という言葉で言いました．今はそうしか言えないからです．

更に驚くすることについては

今後のビデオでお話しましょう．