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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「 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、化学的には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原子（同位体あるいは同位元素)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。
水素の同位体
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、
原子核が太陽にあたり、
その周りをまわる電子が惑星、
電子軌道が惑星の軌道に、
原子核(正電荷)と電子(負電荷)の間のクーロン力（引力)が万有引力
に該当する、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(注１参照)ので
エネルギーを失い(注２参照)、
軌道半径は小さくなって（注３)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。
（☆☆注1) 電子を含む非常に小さい区間 $\delta I_{e}$ を考え、
電子の電荷はこの区間に一様に分布していると考える。
電子は原子核の周りを公転しているので、
この微小区間は動く電流素片と考えられる。
この電流素片の作る磁場は、「ビオサバールの法則で定まる。
この磁場は電流素片が動いて（原子核周りを回転して）いるため、
変動磁場をつくる。
すると、ファラデーの電磁誘導法則により、変動電場が生じ、
これが変動磁場を生み出す（マクスウェル方程式から）。
こうして、変動磁場、変動磁場が交互に生み出され電磁波が発生する。
（注２）電磁波のエネルギーについては、
本テキストの「5.8 ☆☆マクスウェル方程式中のポインティングベクトルを参照のこと。
（注３）水素原子の電子軌道が原子核を中心とする円軌道だと仮定して、
半径$r$の軌道を運動する電子のエネルギー$E$（運動エネルギー$E_k$とクーロン力によるポテンシャルエネルギー$E_p$の和）を計算してみよう。
水素原子の原子核は一個の陽子からなり、電荷は$e\fallingdotseq 1.6 \times 10^{-19}[C]$,
質量は$M\fallingdotseq 1.7\times 10^{-27}[kg]$ 。
電子の電荷は $-e$、質量は$m\fallingdotseq 9.1\times 10^{-31}[kg]$ 。
万有引力係数は$G\fallingdotseq 6.7 \times 10^{-11}[Nm^{2}/kg^{2}]$
クーロン力の係数は$k\fallingdotseq 9\times 10^{9}[Nm^{2}/C^{2}]$
電子が半径$r$の等速円運動（速度$v$)するには、
この軌道運動による遠心力$mv^2/r$と
陽子から電子に働くクーロン引力$GmM/r^{2}$が釣り合う必要がある。
$mv^2/r = GmM/r^{2}$
これより運動エネルギーは
$E_k= mv^2/2 = GmM/2r$
陽子からのクーロン力による電子のポテンシャルエネルギーは、無限遠を零とすると
$E_p = ke^{2}/r$
電子のエネルギーは、
$E=E_k + E_p =\frac{-2ke^{2} + GmM}{2r} \qquad \qquad \qquad (1)$
上式の分子の諸定数の値を代入して計算すると、
$ -2ke^{2} + GmM = -4.6\times 10^{-28} + 1.04\times 10^{-67} \lt 0$
なので、電子の持つエネルギーが小さいと、電子の軌道半径は小さいことが分かる。
これはエネルギーが一挙に減って、その後定常状態（等速円運動)に移った時の軌道半径であるが、
ゆっくりとエネルギーを減らしていく準定常状態の推測には役立つ。
