物理/物質は何からできているのだろうか 物質観
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2018年3月19日 (月) 07:36時点における版
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「 6.1 物質は何からできているのだろうか_物質観」
この世界はいろいろなもの(物質)に溢れているが、これらは一体何からできているだろうか。
太古の昔から、こうしたことを考える人々がいた。
ギリシャ時代
ギリシャ時代の哲学者たちも、このことを考えていろいろな説を唱えた。
アリストテレスの4元論
例えば、アリストテレスは、
この世界のすべての物質は、４つの物質（火、空気、水、土）からできている
と考えた。
デモクリトスの原子論
デモクリトスは、
物質は、どんどん小さくしていったら、原子に至る、
原子は、新たにできたり、消滅したりせず、分割もできない、
無数の原子の結合や分離によって、いろいろな物質はできている、
と考えた。
現代の物質観に通じる考えであったが、
アリストテレスの権威が大きく、近代までアリストテレスの4元論が支配的であった。
近代の物質観
ルネッサンスを経て産業革命が起き、近代科学が発展する時期になると、
古来からの占星術から近代的な力学が誕生したが、
錬金術からは、
さまざまな物質の構造・性質および物質相互の反応(化学反応）を研究する化学が誕生した。
近代的な原子論の誕生
化学の分野でも、定量的な研究が進み、
気体反応の法則、倍数比例の法則などの発見が続いた。
これらのな法則は、これから説明するように
物質が原子からできていると仮定すると明快に説明することができる。
こうして化学の分野の研究者の中に原子論がひろがっていった。
倍数比例の法則
気体反応の法則
ドルトンの原子説
ドルトンは、こうした法則がなぜ成立するか考察して原子説を提唱した。
アボガドロの法則
困ったことに原子の考えに基づくと、
一個の原子が2等分されねばならないという矛盾が生じてしまうことが起こる。
例えば、水素2リットルと酸素1リットルを反応させると2リットルの水蒸気になる。
すると、水素原子2個と酸素原子一個から、2個の水という化合物ができることになる。
一個の水には酸素原子の半分が含まれるという結論になり、
これ以上（化学的に）分割できないという原子の概念に矛盾してしまう。
アボガドロは、この矛盾を解決するため
・原子は分子を形成する
・等温、等圧、等体積の気体は、種類によらず同数の分子を含む
という仮説をたてた。
水素ガスと酸素ガスの反応の例では、
水素原子が2個結合してできた水素分子 $H_2$が2個と、
酸素原子が2個結合してできた酸素分子 $O_2$ 一個が反応して,
2個の水分子ができると、合理的に説明できる。
$2H_2 + O_2 \Rightarrow 2H_{2}O$
原子論の決着
原子論はひろがっていったものの反対者も多かった。
この論争に終止符をうったのが、ブラウン運動の発見と、
この運動を理論的に証明したアインシュタインによる論文であった。
現代の原子論・物質観
原子の構造
原子
現代の原子論・物質観に記述されているように、
原子は分割不能は粒子ではなく、
正の電気をもった陽子と電気的に中性の中性子が結合した原子核と
負の電気をもった電子が電気力(クーロン力)で引き合い
一つの粒子となったものである。
元素
元素とは、化学的反応によってそれ以上簡単な成分に分解できない物質である。
正確には化学元素という。
現在118種の元素が見つかっている。
物質はいくつかの元素の組合せから出来ている。
一つの元素は、その元素に対応する原子番号(原子のもつ陽子の数)の原子が結合したもの。
但し原子番号が同じでも中性子数が異なる同位元素も少量含まれることがある。
元素の違いは、それを作っている原子が異なることに起因する。
ラザフォードの惑星型原子モデル
原子核と電子は、どのように原子を構成しているのだろうか。
歴史的にはラザフォードの原子モデルが知られている。
ラザフォードは、
太陽が原子核で、
その周りをまわる惑星が電子で
惑星の軌道が電子軌道にあたる
という原子モデルを提唱した。
ラザフォードの惑星型原子モデルのもつ問題点
① 古典電磁気学によれば、
原子核の周りを公転する電子（負電荷）は絶えず電磁波を発生するのでエネルギーを失い、
軌道半径は小さくなって原子核に衝突してしまう。
② 次節で説明する光電効果を説明できない
