第2章原子・分子・イオン

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Although no one has actually seen the inside of an atom, experiments have demonstrated much about atomic structure. Thomson’s cathode ray tube showed that atoms contain small, negatively charged particles called electrons. Millikan discovered that there is a fundamental electric charge—the charge of an electron. Rutherford’s gold foil experiment showed that atoms have a small, dense, positively charged nucleus; the positively charged particles within the nucleus are called protons. Chadwick discovered that the nucleus also contains neutral particles called neutrons. Soddy demonstrated that atoms of the same element can differ in mass; these are called isotopes.

原子の内部を実際に見た人はいないが、実験によって原子構造の多くが明らかになった。トムソンの陰極線管は、原子に電子と呼ばれる小さな負の粒子が含まれることを示した。ミリカンは、電子の電荷という基本的な電荷が存在することを発見した。ラザフォードの金箔実験は、原子が小さく高密度で正に帯電した原子核をもつことを示した。核内の正に帯電した粒子は陽子と呼ばれる。チャドウィックは、核が中性子と呼ばれる中性粒子も含むことを発見した。ソディは、同じ元素の原子でも質量が異なり得ることを示した。これらを同位体と呼ぶ。

Chemistry End of Chapter Exercises化学の章末問題

Exercises 5–9練習問題 5–9

Exercise 5問題 5

The existence of isotopes violates one of the original ideas of Dalton’s atomic theory. Which one?

同位体の存在は、ドルトンの原子論の当初の考え方の一つに反する。どれか。

Solution解き方

Dalton originally thought that all atoms of a particular element had identical properties, including mass. Thus, the concept of isotopes, in which an element has different masses, was a violation of the original idea. To account for the existence of isotopes, the second postulate of his atomic theory was modified to state that atoms of the same element must have identical chemical properties.

ドルトンは当初、特定の元素の原子はすべて、質量を含めて同じ性質をもつと考えた。したがって、一つの元素に異なる質量があるという同位体の概念は、当初の考え方に反していた。同位体の存在を説明するため、原子論の第二の基本仮説は、同じ元素の原子は同じ化学的性質をもたなければならない、という記述に修正された。

Exercise 6問題 6

How are electrons and protons similar? How are they different?

電子と陽子はどのような点が似ているか。どのような点が異なるか。

Exercise 7問題 7

How are protons and neutrons similar? How are they different?

陽子と中性子はどのような点が似ているか。どのような点が異なるか。

Solution解き方

Both are subatomic particles that reside in an atom’s nucleus. Both have approximately the same mass. Protons are positively charged, whereas neutrons are uncharged.

どちらも原子核内にある、原子より小さい粒子であり、質量もほぼ同じである。陽子は正に帯電しているが、中性子は電荷をもたない。

Exercise 8問題 8

Predict and test the behavior of α particles fired at a “plum pudding” model atom.

「プラムプディング」模型の原子に撃ち込んだα粒子のふるまいを予測し、確かめなさい。

(a) Predict the paths taken by α particles that are fired at atoms with a Thomson’s plum pudding model structure. Explain why you expect the α particles to take these paths.

(a) トムソンのプラムプディング模型の構造をもつ原子へ撃ち込んだα粒子の経路を予測しなさい。α粒子がその経路を進むと考える理由を説明しなさい。

(b) If α particles of higher energy than those in (a) are fired at plum pudding atoms, predict how their paths will differ from the lower-energy α particle paths. Explain your reasoning.

(b) (a)より高いエネルギーのα粒子をプラムプディング原子へ撃ち込むと、その経路は低エネルギーのα粒子の経路とどう異なるか予測しなさい。推論の根拠を説明しなさい。

(c) Now test your predictions from (a) and (b). Open the Rutherford Scattering simulation and select the “Plum Pudding Atom” tab. Set “Alpha Particles Energy” to “min,” and select “show traces.” Click on the gun to start firing α particles. Does this match your prediction from (a)? If not, explain why the actual path would be that shown in the simulation. Hit the pause button, or “Reset All.” Set “Alpha Particles Energy” to “max,” and start firing α particles. Does this match your prediction from (b)? If not, explain the effect of increased energy on the actual paths as shown in the simulation.

(c) (a)と(b)の予測を確かめよう。「ラザフォード散乱」シミュレーションを開き、「Plum Pudding Atom」タブを選ぶ。「Alpha Particles Energy」を「min」に設定し、「show traces」を選ぶ。発射装置をクリックしてα粒子の発射を始める。(a)の予測と一致するか。一致しなければ、実際の経路がシミュレーションのようになる理由を説明しなさい。一時停止ボタンか「Reset All」を押す。「Alpha Particles Energy」を「max」に設定し、α粒子を発射する。(b)の予測と一致するか。一致しなければ、シミュレーションに示された実際の経路に、エネルギーの増大が与える影響を説明しなさい。

Exercise 9問題 9

Predict and test the behavior of α particles fired at a Rutherford atom model.

ラザフォード模型の原子に撃ち込んだα粒子のふるまいを予測し、確かめなさい。

(a) Predict the paths taken by α particles that are fired at atoms with a Rutherford atom model structure. Explain why you expect the α particles to take these paths.

(a) ラザフォード模型の構造をもつ原子へ撃ち込んだα粒子の経路を予測しなさい。α粒子がその経路を進むと考える理由を説明しなさい。

(b) If α particles of higher energy than those in (a) are fired at Rutherford atoms, predict how their paths will differ from the lower-energy α particle paths. Explain your reasoning.

(b) (a)より高いエネルギーのα粒子をラザフォード原子へ撃ち込むと、その経路は低エネルギーのα粒子の経路とどう異なるか予測しなさい。推論の根拠を説明しなさい。

(c) Predict how the paths taken by the α particles will differ if they are fired at Rutherford atoms of elements other than gold. What factor do you expect to cause this difference in paths, and why?

(d) Now test your predictions from (a), (b), and (c). Open the Rutherford Scattering simulation and select the “Rutherford Atom” tab. Due to the scale of the simulation, it is best to start with a small nucleus, so select “20” for both protons and neutrons, “min” for energy, show traces, and then start firing α particles. Does this match your prediction from (a)? If not, explain why the actual path would be that shown in the simulation. Pause or reset, set energy to “max,” and start firing α particles. Does this match your prediction from (b)? If not, explain the effect of increased energy on the actual path as shown in the simulation. Pause or reset, select “40” for both protons and neutrons, “min” for energy, show traces, and fire away. Does this match your prediction from (c)? If not, explain why the actual path would be that shown in the simulation. Repeat this with larger numbers of protons and neutrons. What generalization can you make regarding the type of atom and effect on the path of α particles? Be clear and specific.

(d) (a)、(b)、(c)の予測を確かめよう。「ラザフォード散乱」シミュレーションを開き、「Rutherford Atom」タブを選ぶ。シミュレーションの縮尺を考えると、小さい原子核から始めるのがよいので、陽子と中性子をともに「20」、エネルギーを「min」にし、軌跡を表示させてα粒子の発射を始める。(a)の予測と一致するか。一致しなければ、実際の経路がシミュレーションのようになる理由を説明しなさい。一時停止またはリセットし、エネルギーを「max」にしてα粒子を発射する。(b)の予測と一致するか。一致しなければ、シミュレーションに示された実際の経路に、エネルギーの増大が与える影響を説明しなさい。一時停止またはリセットし、陽子と中性子をともに「40」、エネルギーを「min」にし、軌跡を表示して発射する。(c)の予測と一致するか。一致しなければ、実際の経路がシミュレーションのようになる理由を説明しなさい。陽子と中性子の数をさらに増やして繰り返しなさい。原子の種類がα粒子の経路に与える影響について、どのような一般化ができるか。明確かつ具体的に述べなさい。

Solution解き方

(a) The Rutherford atom has a small, positively charged nucleus, so most α particles will pass through empty space far from the nucleus and be undeflected. Those α particles that pass near the nucleus will be deflected from their paths due to positive-positive repulsion. The more directly toward the nucleus the α particles are headed, the larger the deflection angle will be. (b) Higher-energy α particles that pass near the nucleus will still undergo deflection, but the faster they travel, the less the expected angle of deflection. (c) If the nucleus is smaller, the positive charge is smaller and the expected deflections are smaller—both in terms of how closely the α particles pass by the nucleus undeflected and the angle of deflection. If the nucleus is larger, the positive charge is larger and the expected deflections are larger—more α particles will be deflected, and the deflection angles will be larger. (d) The paths followed by the α particles match the predictions from (a), (b), and (c).

(a) ラザフォード原子は小さく正に帯電した原子核をもつため、ほとんどのα粒子は核から離れた空の空間を通り、曲げられない。核の近くを通るα粒子は、正電荷同士の反発によって経路を曲げられる。α粒子がより直接核へ向かうほど、曲がる角度は大きくなる。(b) 高エネルギーのα粒子も核の近くを通れば曲げられるが、進む速さが大きいほど、予想される曲がりの角度は小さくなる。(c) 原子核が小さければ正電荷も小さく、予想される曲がりは小さくなる。これは、α粒子が曲がらずに核のどれほど近くを通れるかという点でも、曲がる角度という点でも同じである。原子核が大きければ正電荷も大きく、予想される曲がりも大きくなる。曲げられるα粒子が増え、曲がる角度も大きくなる。(d) α粒子の経路は(a)、(b)、(c)の予測と一致する。

alpha particle (α particle)

アルファ粒子（α粒子）

positively charged particle consisting of two protons and two neutrons

陽子二つと中性子二つからなる、正に帯電した粒子

electron

電子

negatively charged, subatomic particle of relatively low mass located outside the nucleus

原子核の外側にある、比較的質量が小さく、負に帯電した、原子より小さい粒子

isotopes

同位体

atoms that contain the same number of protons but different numbers of neutrons

陽子数が同じで、中性子数が異なる原子

neutron

中性子

uncharged, subatomic particle located in the nucleus

原子核内にある、電荷をもたない、原子より小さい粒子

nucleus

原子核

massive, positively charged center of an atom made up of protons and neutrons

陽子と中性子からなる、重く、正に帯電した原子の中心部

proton

陽子

positively charged, subatomic particle located in the nucleus

原子核内にある、正に帯電した、原子より小さい粒子