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亜原子粒子
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ダルトンは、物質を構成する粒子については部分的にしか正しくありませんでした。 すべての物質は原子で構成され、さらに原子は陽子、中性子、電子の 3 つの小さな亜原子粒子で構成されています。 これら 3 つの粒子が原子の質量と電荷を構成します。
電子の発見
亜原子構造についての最初の糸口は、 19 世紀の終わりにジョセフ・ジョン・トムソンが、陰極線管を使用して電子を検出しました。 この装置は、ほとんどすべての空気が取り除かれ、 2 つの金属電極が含まれている密閉ガラス管で構成されています。 電極に高電圧をかけると、その間に陰極線と呼ばれる可視光線が現れます。 この光線は、正の電荷に向かって、負の電荷から遠ざけるように偏向され、電極に異なる金属を使用した場合も、同じ特性で生成されました。 同様の実験では、磁場を加えることによって同時に光線が偏向されました。 偏向の程度と磁場強度を測定することで、 トムソンは陰極線粒子の電荷対質量比を計算することができました。 これらの測定結果から、これらの粒子は原子よりもはるかに軽量であることがわかりました。 トムソンは、彼の観察に基づき、以下のことを提案しました。
- 粒子はプラス（ + ）電荷に引き付けられ、マイナス（ – ）電荷に反発するため、マイナス電荷を帯電しているはず（同種の電荷は反発し、異種の電荷は引き合うように）。
- 粒子は原子よりも質量が小さく、原料に関係なく識別できないため、すべての原子の基礎的な亜原子成分であるはず。
トムソンの陰極線粒子は、原子の質量と比べて 1000 倍も小さい負電荷を持つ亜原子粒子である電子です。 「電子」という用語は、 1891 年にアイルランドの物理学者、ジョージ・ストーニーが「電動イオン」から造語しました。
1909 年、 ロバート・ミリカン は「油滴」実験で電子の電荷を計算しました。 ミリカンは微細な油滴を発生させ、その形成時の摩擦やX線によって帯電させることができました。 これらの液滴は最初は重力により落下しますが、装置内の電場が低くなると、下降の速度が遅くなったり、逆になったりします。 ミリカンは、電界強度を調整し、慎重な測定と適切な計算を行うことで、個々の油滴の電荷を 1.6 × 10 − 19 C （クーロン）と決定することができました。 ミリカンは、この値は単一電子の基本的な電荷に違いないと結論付けました。 このように電子の電荷は ミリカン の研究によって知られており、さらにトムソン の研究（ 1.759 × 1011 C/kg ）により電荷対質量比が知られていたため、電子の質量は 9.107 × 10 -31 kg と決定されました。
ラザフォードの核モデル
科学者たちは今、この原子がダルトンの考えどおりに分割できないことを明らかにしてきました。また、トムソンやミリカンをはじめとする研究の結果、負の亜原子粒子 ( 電子 ) の電荷と質量がわかっていました。 科学者たちは、原子の全体的な電荷が中性であることを知っていました。 しかし、原子のプラスに帯電した部分はまだ十分に理解されていませんでした。 1904 年、トムソンは原子の「プラム・プディング」モデルを提案しました。このモデルでは、すべての原子が電気的に中性であるため、正電荷を持つ正電荷質量があり、そこに電子が埋め込まれているようになっている原子を説明しました。これに競合するモデルとして、 1903 年に長岡半太郎が、正電荷の球体の周りを電子のハローで囲まれた、土星のような原子を提案しました。
原子を理解するための次の大きな進展は、アーネスト・ラザフォードが行ったものです。ラジウムの放射性崩壊によって発生する高速で正電荷を帯びたアルファ粒子（ α 粒子）のビームを使用して、一連の実験を行いました。 彼は、非常に薄い金箔に α 粒子のビームをあて、 α 粒子が当たると一瞬だけ光る発光スクリーンを用いて 、結果として生じます。α 粒子の散乱を調べました。 彼は、ほとんどの粒子がまったく偏向されずに金箔を通過したことを観察しました。 しかし、一部は若干方向転換し、非常に小さな数がほぼ原料に向かって逆方向に偏向されました。
この結果から、ラザフォードは次のように推測しました。金原子を通過する高速移動 α 粒子の大部分は偏向されなかったため、それらは原子内部の基本的に空の空間を通過した。 アルファ粒子は正電荷を持つため、別の正電荷に遭遇すると、偏向が生じます。（電荷が互いに反発する）。 電荷が互いに反発するため、急激に進路を変えたいくつかの正電荷 α 粒子は、高濃度で正電荷を持つ別の物体に衝突したか、接近したのではないかと考えられます。 偏向が発生した時間はごくわずかであるため、この電荷は金箔の空間をわずかしか占有していません。
ラザフォードは、一連の実験を分析し、次の 2 つの重要な結論を導き出しました。
- 原子が占める体積は、大量の空スペースで構成されている。
- 比較的重量があり、正電荷を持つ小さな原子核は、各原子の中心にある。
この解析からラザフォードは、原子は、非常に小さく正電荷を持った原子核から構成されるというモデルを提案しました。原子の大部分は負電荷を持った電子に囲まれており、原子が電気的に中立になるようになっています。 さらに多くの実験を経て、他の元素の原子核が構成要素として水素原子核を含んでいることを発見し、このより基本的な粒子を、原子核に含まれる正電荷を持つ亜原子粒子である陽子と名付けました。
原子の構造
陽子は原子の核にあり、正電荷を持っています。 陽子の数は周期表の原子番号と等しく、元素の固有性を決定します。 中性子もまた原子核の中に存在します。 電荷はありませんが、陽子と同じ質量を持ち、原子の原子質量に寄与します。 電子は雲のように原子核の周りを回っています。 これらは負の電荷と無視できるほどの質量を持っているため、原子の全体的な電荷には寄与しますが、質量には寄与しません。
中性子
原子核は原子のほぼすべての質量を含み、陽子の数はその質量の半分以下にすぎないことが知られていました。残りの質量がどのように構成されているかを説明するために、核に中性粒子が存在することを含め、さまざまな提案がなされました。 1932 年になって、ジェームス ・チャドウィックが、陽子とほぼ同じ重量で電荷を持たない亜原子粒子である中性子の証拠を発見しました。
中性子の存在も同位体を用いて説明されました。同位体は中性子の数が異なるため質量が異なるが、陽子の数が同じであるため化学的に同一です。
原子質量単位（ amu ）と電荷の基本単位（ e ）
原子核には原子の質量の大部分が含まれています。陽子と中性子は電子よりもはるかに重く、一方電子は原子の体積のほとんどすべてを占めています。 原子の直径は 10 − 10 m のオーダーで、一方原子核の直径は約 10 − 15 m で、約 10 万分の 1 になります。 原子、およびそれらを構成する陽子、中性子、および電子は非常に小さいです。 たとえば、炭素原子の重量が 2 × 10 − 23 g 未満の場合、 電子の電荷は 2 × 10 − 19 C 未満です。原子などの小さな物体の特性を記述する場合、原子質量単位（ amu ）や電荷の基本単位（ e ）などの適切に小さい単位が使用されます。 amuは炭素の最もありふれた同位体で定義されており、その原子には正確に 12 amu の質量が割り当てられています。 従って、 1 つの amu は 1 つの 炭素原子-12の質量のちょうど 1/12 です :1 amu = 1.6605 × 10 − 24 g ダルトン（ Da ）と統一原子質量単位（ u ）は、 amu に相当する代替単位です。
電荷の基本単位（基本電荷とも呼ばれる）は、電子の電荷の大きさに等しい e = 1.602 × 10 − 19 C です。陽子の質量は 1.0073 amu で、電荷は 1 + です。 中性子は 1.0087 amu の質量とゼロ電荷を持つわずかに重い粒子で、名前が示すように中性です。 電子の電荷は 1 −で、質量が約 0.00055 amu の粒子です。 参考までに、 1 つの陽子の質量と等しくなるには約 1800 電子を要するでしょう。 これらの基本粒子の特性を次の表にまとめます。
| 亜原子粒子 | 電荷（ C ） | 単位電荷 | 質量（ g ） | 質量（ amu ） |
| 電子 | − 1.602 × 10 − 19 | 1 − | 0.00091 × 10 − 24 | 0.00055 |
| 電子 | 1.602 × 10 − 19 | 1 – | 1.67262 × 10 − 24 | 1.00727 |
| 中性子 | 0 | 0 | 1.67493 × 10 − 24 | 1.00866 |
このテキストは 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 2.2 ： Evolution of Atomic Theory 、 Section 2.3 ： Atomic Structure and Symbolism から引用したものです。