原子が実在する根拠 岡山理科大学 理学部 化学科 高原 周一 ＜質問＞ 原子論（＝全ての物質が原子から できているという説）を信じますか？ なぜ原子論を信じるのですか？ 話の概略 原子論（＝すべての物質は原子からできてい るという説）の歴史を紹介する． 多くの科学者が参加した壮大なドラマ． 「科学的」とはどういうことか？ 理系の学生なら一度は考えてほしいこと． 古代原子論 （古代ギリシャ時代） デモクリストは2000年以上前に現代原子論とほぼ同じことを 考えた． ① 世界は幾種類かの原子と空虚な空間からなっている． ② すべての変化は原子の離合集散によって説明できる． 古代原子論は空想の域を出なかった． 現代原子論が着想されるまで 中世ヨーロッパでは錬金術が盛んに研究された． アリストテレスの四元素説： 「空気，水，土，火」 17世紀後半，ボイルは「懐疑的な化学者」で四元 素説を批判した． 元素： 実験的にそれ以上簡単な物質に分解しな いもの 18世紀後半から，次々と元素が発見された． （水素，塩素，酸素，様々な金属元素など） ドルトン・アボガドロの原子説・分子説 (19世紀前半） １つの元素には1つの原子が対応している． 原子が結合して分子を作る． 全ての物質は分子が集まってできている． 原子説・分子説の根拠 質量保存の法則 定比例の法則 倍数比例の法則 気体反応の法則 19世紀の化学者による 原子論に関連する研究 精密な原子量の決定 原子価概念の有効性の確認 周期律の発見 周期律を用いた新元素の発見 この時点で，高校化学で習う原子論の 内容はほとんど登場していた． 原子論に対する反論 実際原子を観測したわけではないので，信じ ることはできない． 原子の結合の理由，原子価の成立原因が示 されていない． etc… 原子価はどのようにして決まるか O H H ２０世紀に発見された量子力学を用いないと 説明不可能！ 原子論者とエネルギー論者の論争 （１９世紀後半） エネルギー論 実験で確認できないので，原子の存在を認めない． 実験で確認できる熱力学は認める． マッハ，オストワルト（後にノーベル化学賞受賞） 原子論 様々な現象の説明を可能とするので，原子の存在 を認める．PV=RT の原子論的説明，アボガドロ数 決定などの成果． ボルツマン アインシュタインのブラウン運動の理論 ブラウン運動の原因は分子の不規則な衝突． この理論は，ペランによって実験的に確かめられた． 原子の存在の証拠 （２０世紀） ブラウン運動． 昼間の空が明るいこと． 様々な方法で求められたアボガドロ数の一致． （～６×１０23 個/mol） 量子力学による理論的説明． 原子論に基づく科学・技術の発展． 走査トンネル顕微鏡等による原子の直接観察． etc. 原子論に基づく科学・技術の発展全般 原子論をめぐる歴史からわかること 今では当たり前の「原子」という概念も，多くの科学 者の長年にわたる努力の末に確立された． 科学は大いなる空想をともなう仮説から始まる． → 自由な発想がブレークスルーを生む． 仮説は，懐疑論者の批判に耐え，多面的で大量の 実験データにより支持されて，初めて科学的真理と なる． → 「ほんとうに？」と疑う心を忘れずに． アボガドロ数と原子の大きさ 炭素１２ｇ （＝ 1mol） アボガドロ数 大 アボガドロ数 小 原子の大きさ 小 原子の大きさ 大 アインシュタインのブラウン運動の理論（２） 微粒子の拡散速度はアボガドロ数と関係する． アボガドロ数 大 → 原子 小 アボガドロ数 小 → 原子 大 ブラウン運動より決定されたアボガドロ数は， 他の方法で見積もられたアボガドロ数と一致した． 空が青い理由 太陽 地球 光の乱反射 窓ガラス＝透明 ガラスの破片＝白色 密度に不均一があると光が散乱される． 昼間の明るさとアボガドロ数 アボガドロ数 小 アボガドロ数 大 密度ゆらぎ 大 密度ゆらぎ 小 倍数比例の法則 C と O を結合させる場合．．． ＋ 12 g CO 16 g ＋ 12 g 16×2 g ＋ 12 g 16×1.3 g CO2 CO1.3 アインシュタイン奇跡の年 相対性理論 光量子仮説（ノーベル賞受賞） → 量子力学 ブラウン運動の理論 → 原子・分子実在の証明 全て１９０５年の仕事！ 原子の存在の証拠「写真」 MoS2 表面の走査型 トンネル顕微鏡写真． 白い丸は結晶上の 硫黄原子． この写真１枚で原子の存在を信じるのは非科学的！ 走査型トンネル顕微鏡 プローブ 表面 走査型トンネル顕微鏡 プローブ 表面 走査型トンネル顕微鏡 プローブ 表面 共有結合 原子論の歴史のまとめ 原子論 デモクリストの原子論 ドルトンの原子論 アボガドロの分子論 原子論者の奮闘 ブラウン運動等による実証 量子力学による理論的説明 原子論の勝利！ 反原子論 アリストテレスの四元素説 錬金術 エネルギー論者からの反論
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