物理/物質の構造と性質
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目次 |
「 6.1 物質の構造と性質 」
RT ① 元素はサブにし、原子を中心に書き直す
② 気体、液体、固体に違いは何が原因か
③ 固体の結合力
④ 電気的性質、なぜ導体と不導体があるのか
物質は何からできているのだろうか
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。
例えば、
アリストテレスの4元論
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
- [[wikipedia_ja:原子論# 現代の自然科学における原子論の後退、他の説明体系 |ウィキペディア(原子論 「４ 現代の自然科学における原子論の後退、他の説明体系」)]]
参考文献
原子の構造
原子
原子は、正の電気をもった原子核と負の電気をもった電子が電気力で引き合い、
一つの粒子となったものである。
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。
ラザフォードの太陽系型原子模型
電子殻と価電子
原子内の電子軌道を回る電子には、
化学結合や物性に深く関わるものと、ほとんど関係しないものがある。
化学結合や物性に関わる電子は価電子と呼ばれ、
通常、原子内の最外殻を回っている。
なお、量子力学を学習しない、高校や大学教養課程の物理では、
化学反応を理解することは出来ない。
量子力学を待たず、ある程度化学反応を理解したい方は、
化学の教科書で学ぶ必要がある。
原子核の構造
陽子、中性子の構造
素粒子と核力
分子と分子間力
RT;原子の結合力と分子のそれとの混同あり。書き直し。
分子は、各物質の化学的性質を備えた最小の単位粒子であり、
いくつかの原子がそれらの原子の原子核（正電荷)と電子(負電荷)の電気的引力で引き合い、集まったもの。
分子の間にも、それを構成する原子の原子核と電子のあいだの引力に基因する引力が働く。
固体が形を保つのは、原子核（正電荷)と電子(負電荷)の間の電気的引力と原子核同士の反発力が釣り合い
最も安定する形をとるためである。
このため固体では変形すると元の安定した位置に戻ろうとする力が生じる。弾性力と呼ばれる。
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が結合したもの。
原子は元素の最小単位である。
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。
原子・分子の構造と物質の性質
物質のさまざまな巨視的性質（物性）はその原子・分子の構造や運動から決まる。
物性
物質の示す物理的性質のこと。
機械的性質（力学的性質）、熱的性質、電気的性質、磁気的性質、光学的性質がある。
詳しくは
物質の3態
物質は気体、液体、固体という３つの状態をとる。
$H_{2}O$ の場合、水蒸気、水、氷である。
何故、こうしたことが起こるのだろうか？
原子・分子の熱運動が小さい低温の場合には、
原子・分子間力が勝って物体は小さく固く結合して固体になり、
分子の熱運動が大きい高温では分子間力を完全に打ち破り
個々の分子が勝手に熱運動で動き回るため気体になる。
この中間では、原子・分子間の距離はあまりひろがらないが、その相対的な位置関係は熱運動で自由に変わるため、液体になる。詳しくは
固体の電気的性質
固体の電気的性質を原子・分子の構造から理解しよう。他の性質については物性論という大学の専門課程の科目であつかう。本テキストでは触れない。
固体と結晶
個体とは、力を加えても変形しにくく、ほぼ一定の形、体積を保つ物質。
固体を構成する原子、分子が、規則的にならんでいる物質は結晶とよばれ、
そうでない固体は、非晶質とよばれる。
結晶中の原子の並びの間隔はおよそ,$10^{-10}$～$10^{-11} m $程度である。
導体、半導体、不導体（絶縁体）
電気的性質と電子
RT;以下の資料は不適（難解、説明不足）。書き直し必要。
Ｎ個の原子が集まった固体の電子のエネルギー；バンド構造をとる
バンドギャップ
電気的性質とバンド構造
半導体とその応用
「高等学校物理/物理II/電気と磁気中」の「半導体」（ウィキブックス）
発光ダイオード
シリコン光電池（太陽電池）
太陽電池（Solar cell）は、光起電力効果を利用し、
光エネルギーを電力に変換する電力機器である。
