ベストアンサー
元素の原子の質量は、すべての陽子の質量とすべての中性子の質量の合計です。電子はごくわずかです
水素原子には単一の陽子と単一の選択があり、中性子はありません
したがって、水素原子の質量= 1つの陽子の質量+の質量1つの電子
他のすべての要素は、水素よりも多くの原子と中性子を持っています
したがって、水素は周期表で最も軽い要素です。
回答
原子は小さいです。本当に、本当に小さいです。物質はこれらの小さなものの束でできていると聞いたことがあるでしょう。肉眼では見えないこともご存知でしょう。私たちは、原子がそこにあり、相互作用し、私たちの世界の構成要素であるという考えを信頼するように言われています。
しかし、ほとんどの人にとって、それは十分ではありません。科学は、実際の観測を使用して宇宙の謎を解明する方法に誇りを持っています。それでは、どのようにして原子が存在すると結論付け、これらの小さな構造について何を学んだのでしょうか？
原子が存在することを証明する簡単な方法があるかのように：それらを顕微鏡下に置きます。しかし、このアプローチは機能しません。実際、最も強力な光集束顕微鏡でさえ、単一の原子を視覚化することはできません。オブジェクトを可視化するのは、可視光の波を偏向させる方法です。原子は可視光の波長よりもはるかに小さいため、2つは実際には相互作用しません。別の言い方をすれば、原子は光自体には見えません。ただし、原子は私たちが見ることができるもののいくつかに観察可能な影響を及ぼします。
可視光は個々の原子を明らかにすることはできません（クレジット：Yevgen Lyashko / Alamyストックフォト）
可視光は明らかにすることができません個々の原子（クレジット：Yevgen Lyashko / Alamyストックフォト）
数百年前の1785年、オランダの科学者Jan Ingenhouszは、彼が完全に理解できない奇妙な現象を研究していました。彼の研究室では、炭塵の微小粒子がアルコールの表面に飛び散っていました。
最も強力な光集束顕微鏡でさえ、単一の原子を視覚化することはできません
約50年後、1827年、スコットランドの植物学者ロバートブラウンは、不思議なことに似たようなことを説明しました。彼は顕微鏡をいくつかの花粉粒で訓練させた。ブラウンは、いくつかの粒子が小さな粒子を放出していることに気づきました。これは、ランダムなジッターダンスで花粉の粒子から離れます。
最初、ブラウンは、粒子が本当にある種の未知の生物であるかどうか疑問に思いました。彼は、生きていないことを知っていた岩粉のような他の物質で実験を繰り返し、同じ奇妙な動きを再び見ました。
科学が説明を提供するのにほぼもう1世紀かかるでしょう。アインシュタインがやって来て、この非常に特殊なタイプの動きを予測する数式を開発しました。これは、ロバートブラウンにちなんで、ブラウン運動と呼ばれていました。
アインシュタインの理論は、花粉粒子からの粒子が動き回っていたというものでした。なぜなら、それらは絶えず何百万もの小さな水分子、つまり原子でできた分子に衝突していたからです。
特に「原子」は「不可分」を意味するため、原子が分解されるのは驚きかもしれません。
「彼は、個々の水分子がほこりの粒子や液体に付着したものに衝突することによって実際に引き起こされていると思われるこの揺れ動く動きについて説明しています」と、ハリークリフは説明します。ロンドンの科学博物館のキュレーターでもあるケンブリッジ大学。
1908年までに、計算に裏打ちされた観察により、原子が本物であることが確認されました。約10年以内に、物理学者はさらに先に進むことができるでしょう。個々の原子を引き離すことで、内部構造の感覚をつかみ始めました。
原子が分解できるのは驚きかもしれません。特に、原子という名前はギリシャ語の「アトモス」に由来しているためです。 、これは「不可分」を意味します。しかし、物理学者は現在、原子が固体の小さな球ではないことを知っています。それらを小さな電気の「惑星」システムと考える方がよいでしょう。これらは通常、陽子、中性子、電子の3つの主要部分で構成されています。陽子と中性子は、一緒になってシステムの中心に「太陽」または原子核を形成していると考えてください。電子は惑星のようにこの原子核を周回します。
原子は小さな粒子で構成されています（クレジット：サイエンスフォトライブラリ/アラミーストックフォト）
原子は小さな粒子で構成されています（クレジット：サイエンスフォトライブラリ/アラミーストックフォト）
原子が不可能なほど小さい場合、これらの亜原子粒子はさらに小さくなります。おかしなことに、最初に発見された粒子は実際には3つのうち最小のもの、つまり電子でした。
ここでサイズの違いを理解するために、原子核の陽子は実際には電子の約1,830倍の大きさです。 。熱気球を周回する小さな大理石を想像してみてください。これは、ここで話しているような矛盾です。
ある意味で最初の粒子加速器の1つです
しかし、これらの粒子が存在することをどうやって知るのでしょうか？答えは、小さいながらも大きな影響を与える可能性があるためです。電子を発見した英国の物理学者、JJトムソンは、1897年にその存在を証明するために、特に人目を引く方法を使用しました。
彼の特別な装置は、クルックス管と呼ばれていました。すべての空気は機械によって吸い込まれました。次に、負の電荷がチューブの一端に適用されました。この電荷は、チューブ内の残りのガス分子から電子の一部を取り除くのに十分でした。電子は負に帯電しているため、チューブをもう一方の端に向かって飛んでいきます。部分的な真空のおかげで、これらの電子は大きな原子が邪魔になることなくチューブを通り抜けることができました。
電荷により、電子は実際に非常に速く移動しました–毎秒約37,000マイル（59,500キロメートル）毎秒）–遠端でガラスに衝突し、そこにある原子に関連するさらに多くの電子をノックインするまで。驚くべきことに、これらの驚くほど小さな粒子間の衝突は、非常に多くのエネルギーを生成したため、幻想的な緑黄色の輝きを生み出しました。
マルタ十字形の金属を使用したクルックス管（クレジット：sciencephotos / Alamy Stock Photo）
マルタ十字形の金属を使用したクルックス管（クレジット：sciencephotos / Alamy Stock Photo）
「これはある意味で最初の粒子加速器の1つです」とCliff氏は言います。 「電子はチューブの一方の端からもう一方の端へと加速し、もう一方の端でスクリーンに衝突して、この蛍光の輝きを与えます。」
電子の発見は、原子について学ぶことがもっとあることを示唆しました
トムソンは実際に電子のビームを磁石と電場で操縦できることを発見したので、それらが単なる奇妙な光線ではなく、帯電した粒子でなければならないことを知っていました。
そして、これらの電子が原子とは無関係にどのように飛び回ることができるのか疑問に思っているのなら、それはイオン化と呼ばれるプロセスによるものです。この場合、電荷がそれらの電子を周囲の空間に押し出すことによって原子の構造を変化させます。
実際、電子は非常に簡単に操作および移動できるため、電気回路が可能です。銅線の電子は、銅のある原子から次の原子へと列車のように移動します。これが、銅線を介して電荷をもう一方の端に運びます。原子は、もう一度注目に値するが、固体の小さな物質ではなく、変更されたり構造が変化したりする可能性のあるシステムである。
電子の流れのために電球が光る（クレジット：Feng Yu / Alamy Stock写真）
電子の流れによって電球が光る（クレジット：Feng Yu / Alamyストックフォト）
しかし、電子の発見は、原子について学ぶことがもっとあることを示唆していました。トムソンの研究は、電子が負に帯電していることを明らかにしましたが、原子自体には全体的な電荷がないことを彼は知っていました。彼は、負に帯電した電子を打ち消すには、それらに不思議な正に帯電した粒子が含まれている必要があると推論しました。
彼は原子内に高密度の原子核が存在することを示しました
20日の初めの実験センチュリーはそれらの正に帯電した粒子を特定し、同時に原子の太陽系のような内部構造を明らかにしました。
アーネスト・ラザフォードと彼の同僚は非常に薄い金属箔を取り、それを正に帯電した放射のビームの下に置きました。小さな粒子の流れ。強力な放射線のほとんどは、ホイルがどれほど薄いかを考えると、ラザフォードが思ったように、すぐに通過しました。しかし、驚くべきことに、その一部は跳ね返りました。
ラザフォードは、金属箔の原子には正電荷を持つ小さくて密度の高い領域が含まれている必要があると推論しました。これほど強い放射線を反射する可能性は他にありません。程度。彼は原子の正電荷を発見しました。同時に、電子がそうではない方法で、それらがすべて密集して集まっていることを証明しました。言い換えれば、彼は原子内に高密度の原子核が存在することを示していた。
ケンブリッジの物理学者ジェームズチャドウィックは中性子を発見することに必死だった
しかし、それでも問題があった。これまでに、原子の質量を推定することができました。しかし、原子核内の粒子の重さについて知られていることを考えると、それらがすべて正に帯電しているという考えは意味がありませんでした。
「炭素には6つの電子があり、したがって原子核には6つの陽子があります。 6つの正電荷と6つの負電荷」とクリフは説明します。 「しかし、炭素の原子核は6個の陽子の重さではなく、12個の陽子の重さです。」
初期には、他の6個の核粒子は陽子と同じ質量であると考えられていました。中性に帯電した：中性子。しかし、誰もこれを証明できませんでした。実際、中性子は1930年代まで実際に発見されていませんでした。
私たちの周りはすべて原子でできています（クレジット：Magictorch / Alamyストックフォト）
私たちの周りはすべて原子でできています（クレジット：Magictorch / Alamyストックフォト）
ケンブリッジの物理学者ジェームズチャドウィックは、中性子を発見することに必死でした。彼は何年もの間理論に取り組んできました。 1932年に、彼は突破口を開きました。
1930年代に、私たちは原子について多くのことを理解しましたが、誰も原子の直接画像を作成していませんでした
数年前、他の物理学者は放射線を実験していた。彼らは、正に帯電した放射線（ラザフォードが原子核を発見するために使用したのと同じ種類）をベリリウム原子に向けて発射しました。ベリリウムは独自の放射線を放出しました。正にも負にも帯電しておらず、物質をはるかに透過する可能性のある放射線です。
この時点で、他の人はガンマ線が中性で深く浸透していることをすでに理解していました。 、したがって、物理学者はこれがベリリウム原子が放出していたものであると仮定しました。しかし、チャドウィックは納得していませんでした。
彼は自分で新しい放射線の一部を生成し、陽子が豊富であることがわかっている物質に向けました。予期せぬことに、陽子は、同じ質量の粒子が衝突したかのように、物質から離れて空中にノックされました。たとえば、スヌーカーボールが他のスヌーカーボールに衝突したようです。
ガンマ線は陽子を偏向できません。このようにして、チャドウィックは、ここで問題となっている粒子は陽子と同じ質量であるが、電荷が不足している必要があることに気づきました。それらは中性子でした。
原子のすべての重要な部分が解明されましたが、話はそれだけではありません。
原子を突くと、原子がどのように見えるかを理解することもできます
原子については以前よりも多くのことを理解していましたが、まだ視覚化するのは困難でした。そして1930年代には、誰も1つの直接的なイメージを作成していませんでした。これは、多くの人が自分がそこにいることを本当に受け入れるために見たいと思うものです。
ただし、重要なのは、トムソン、ラザフォード、チャドウィックなどの科学者によって使用されていたものは、最終的にこれらの画像を作成するのに役立つ新しい機器への道を開くでしょう。トムソンがクルックス管実験で生成した電子ビームは特に有用であることが証明されました。
今日、同様のビームが電子顕微鏡によって生成され、これらの顕微鏡の中で最も強力なものが実際に個々の原子の画像を作成できます。これは、電子ビームの波長が光ビームの数千分の1になる可能性があるためです。実際、電子波は小さな原子によって偏向され、光ビームでは不可能な方法で画像を生成できます。
ユニバーシティカレッジロンドンのニールスキッパーは、このような画像は、たとえば電気自動車のバッテリーの製造に使用される特殊な物質の原子構造を研究したい人に役立つと述べています。それらの原子構造について知れば知るほど、効率的で信頼性の高い設計が可能になります。
原子間力顕微鏡は個々の原子を表示できます（クレジット：Flirt / Alamyストックフォト）
原子間力顕微鏡は個々の原子を表示できます（クレジット：Flirt / Alamyストックフォト）
原子を突くと、原子がどのように見えるかを調べることもできます。これは本質的に原子間力顕微鏡の仕組みです。
液体中で加熱すると、原子の構成がより無秩序になっていることがわかります。
アイデアは、分子の表面または材料の表面に近い非常に小さなプローブ。このような接近した場所では、プローブは指し示したものの化学構造に敏感になり、プローブが移動するときの抵抗の変化により、科学者は、たとえば個々の分子がどのように見えるかを画像で生成できます。
最近、研究者はこの方法を使用した化学反応の前後の分子の素晴らしい画像を公開しました。
スキッパーは、今日の多くの原子研究は、高圧時に物の構造がどのように変化するかを調査していると付け加えています、または極端な温度が適用されます。ほとんどの人は、材料が加熱されると、しばしば膨張することを知っています。これを可能にする発生する原子の変化を検出できるようになりました。
「液体中で加熱すると、原子の構成がより無秩序になっていることがわかります」とスキッパー氏は言います。 「構造図から直接確認できます。」
スキッパーや他の物理学者は、1930年代にチャドウィックによって最初に特定された中性子ビームを使用して原子に取り組むこともできます。
特定できます。ガンマ線のみのエネルギーを検出することで原子
「私たちがよく行うことは、材料の塊に中性子のビームを発射することです。出現する散乱パターンから、中性子を散乱していることがわかります。核」と彼は言います。 「散乱を行っていた物体の質量と大まかなサイズを計算することができます。」
しかし、原子は常にそこに座っているだけでなく、落ち着いて安定していて、検査されるのを待っています。時々それらは腐敗しています-それはそれらが放射性であることを意味します。
天然に存在する放射性元素がたくさんあります。このプロセスは、原子力と核爆弾の基礎を形成するエネルギーを生成します。原子核物理学者の研究は、一般に、原子核がこのような根本的な変化を受ける反応をよりよく理解しようとすることを含みます。
ウラン原子は2つに分裂する可能性があります（クレジット：Peter Hermes Furian / Alamyストックフォト）
ウラン原子は2つに分割できます（クレジット：Peter Hermes Furian / Alamyストックフォト）
リバプール大学のLauraHarkness-Brennanは、崩壊によって放出される放射線の一種であるガンマ線の研究を専門としています。原子。特定の種類の放射性原子は、特定の形態のガンマ線を生成します。つまり、ガンマ線のエネルギーだけを検出することで原子を特定できるということです。これは、ハークネスブレナンが彼女の研究室で行っていることとまったく同じです。
原子が何であるかを解明しただけでなく、実現しました。それらは驚くほど複雑な構造であるということ
「使用する検出器の種類は、放射線の存在だけでなく、沈着している放射線のエネルギーも測定できる検出器です」と彼女は言います。 「それは、すべての原子核に特徴的な指紋があるためです。」
放射線が検出される領域にはあらゆる種類の原子が存在する可能性があるため、特にある種の大規模な核反応の後は、次のことが重要です。どの放射性同位元素が存在するかを正確に知る。この種の検出は、一般的に原子力発電所や原子力災害が発生した地域で行われます。
Harkness-Brennanと彼女の同僚は現在、そのような場所に設置して表示できる検出システムに取り組んでいます。 、3次元で、特定の部屋に放射線が存在する可能性があります。 「あなたがしたいのは、3次元空間を画像化し、その部屋、そのパイプ、そこに放射線があることを伝えることができる技術とツールを用意することです」と彼女は言います。
原子がどれほど小さいか、それからどれだけの物理学を引き出すことができるかは驚くべきことです
「霧箱」内の放射線を視覚化することも可能です。これは、-40℃に冷却されたアルコール蒸気が放射線源の周りの雲の中を漂う特別な実験です。線源から離れて飛んでいる荷電粒子は、アルコール分子から電子を取り除きます。これにより、放出された粒子の経路の周りでアルコールが凝縮して液体になります。このタイプの検出の結果は本当に驚くべきものです。
原子が何であるかを解明しただけでなく、それらが驚くほど複雑な構造であり、驚くべき変化を起こす可能性があることに気づきました。その多くは発生します。当然。そして、このように原子を研究することで、私たちは技術を向上させ、核反応のエネルギーを利用し、私たちの周りの自然界をよりよく理解することができました。また、放射線から身を守ることができ、極端な条件下に置かれたときに材料がどのように変化するかを発見することができました。
Harkness-Brennanは、次のように述べています。
私たちの周りに見えるものはすべて、これらの小さなものでできています。彼らがそこにいることを知って、それをすべて可能にするのは良いことです。