このレッスンでは、原子における電子の役割と特性について学びます。電子は、元素の化学的性質を決定する上で重要な役割を果たす基本粒子です。電子の挙動、分布、および他の原子成分との相互作用を詳しく調べることで、化学と物理学の基礎に関する理解が深まります。
電子は負の電荷を持つ亜原子粒子で、 \(e^-\)で表されます。電子は、陽子と中性子とともに、原子の 3 つの主要構成要素の 1 つです。原子核に存在する陽子と中性子とは異なり、電子は電子殻またはエネルギー レベルと呼ばれる領域で原子核を周回します。電子の質量は陽子と中性子の質量よりも大幅に小さく、陽子の質量の約\(\frac{1}{1836}\)倍です。この小さな質量により、電子は原子の質量への寄与が無視できるにもかかわらず、原子空間の広大な体積を占めることができます。
電子は、パウリの排他原理、アウフバウ原理、フントの法則に従って、原子のエネルギー レベルまたは殻に配置されます。最も安定した構成は、電子が最初に最低のエネルギー レベルを満たしてから、より高いエネルギー レベルに移動するときに実現されます。この配置によって、反応性や他の原子との結合形成能力など、原子の化学的特性が決まります。
たとえば、電子を 1 つ持つ水素原子は、この電子を第 1 殻に持っています。電子を 8 つ持つ酸素は、第 1 殻に 2 つの電子、第 2 殻に 6 つの電子を持っています。
電子は、分子や化合物内で原子を結合させる相互作用である化学結合の形成において極めて重要な役割を果たします。化学結合には主にイオン結合、共有結合、金属結合の 3 種類があり、いずれも電子が関与しています。イオン結合では、電子が原子間で移動し、正イオンと負イオンが互いに引き合います。共有結合では、原子間で電子対が共有されますが、金属結合は、金属構造内を自由に移動できる電子が集まることで形成されます。
電子が原子核の周りを定義された経路または軌道で周回するという概念は、ニールス・ボーアによって初めて提唱されました。しかし、現代の量子力学は軌道の概念を導入し、より正確な説明を提供しています。軌道は、電子が存在する可能性のある原子核の周りの空間領域です。ボーアモデルの定義された軌道とは異なり、量子力学は電子の位置を確率の観点から説明します。ハイゼンベルクの不確定性原理は、電子の正確な位置と速度を同時に決定することは不可能であると主張しています。
電子のこの量子的振る舞いは、最も単純な水素原子を超える複雑な原子構造を理解する上で非常に重要です。より大きな原子の電子は、さまざまな形状とエネルギー レベルを持つ複雑な軌道配列を占めています。これらには s、p、d、f 軌道が含まれ、それぞれ特徴的な形状と電子を保持する容量を持っています。
価電子は原子の最外殻にある電子です。価電子は原子の化学的性質や他の原子との相互作用能力を決定する上で重要な役割を果たします。価電子の数は、周期表の s ブロックと p ブロックの元素のグループ番号に対応します。たとえば、グループ 1 の元素には 1 つの価電子があり、グループ 18 の元素には 8 つの価電子があります (ヘリウムは 2 つ)。
価電子の配置は、周期表で観察される周期性を説明します。周期表では、同じグループの元素は同様の化学的挙動を示します。これは、価電子の数が同じであるため、結合特性と反応が似ているためです。
電子はエネルギーを吸収してより高いエネルギー レベルにジャンプするか、より低いエネルギー レベルに落ちて、光子の形でエネルギーを放出します。このプロセスは分光法の現象の基本であり、分光法では放出された光のスペクトルを分析して物質の組成を判定できます。この遷移中に放出または吸収される光子のエネルギーは、式\(E = h\nu\)で表されます。ここで、 \(E\)は光子のエネルギー、 \(h\)はプランク定数、 \(\nu\)光子の周波数です。
この原理は、エネルギー レベル間の電子の遷移に対応する複数の線で構成される水素の発光スペクトルに示されています。各遷移では特定の波長の光子が放出され、水素に固有の線スペクトルが生成されます。
ブラウン管実験:これは電子の存在を証明する古典的な実験です。ブラウン管内の低圧ガスに電流が流れると、人間の目に見えるビームが生成されます。このビームは磁場と電場によって偏向されることがわかり、負に帯電した粒子 (後に電子であると特定されました) の存在を示唆しました。
油滴実験:ロバート A. ミリカンとハーヴェイ フレッチャーが行ったこの実験では、電子 1 個の電荷を測定しました。小さな油滴を 2 枚の帯電プレートの間に浮かべ、電界の影響下での油滴の動きから各液滴の電荷を計算しました。この実験により、基本電荷がおよそ\(1.60 \times 10^{-19}\)クーロンであることがわかり、電荷の量子化が確立されました。
このレッスンでは、原子の文脈における電子の基本的な側面について学びました。エネルギー レベルの分布から化学結合や量子挙動における役割まで、電子は元素のさまざまな特性や反応を理解する上で不可欠です。電子が原子内や他の原子とどのように相互作用するかを知ることは、化学と物理学の広範な分野の基礎となり、分子の構造から物質の挙動まですべてを説明できます。
