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1.2 : 原子の電子構造

原子は陽子と中性子からなる高密度の中心核(原子核)と、その周囲を取り巻く電子で構成されます。 電子の波動と粒子の二重性と原子核周囲の位置の不確実性を考慮すると、量子力学は原子構造のより正確なモデルを提供します。 これは、原子軌道を、離散エネルギーの電子が存在する原子核の周囲の領域として記述し、n、l、m_l、m_s の 4 つの量子数によって特徴付けられます。

量子力学モデル

原子は、電子に囲まれた正に帯電した小さな核で構成されています。 原子核には陽子と中性子が含まれています。 陽子の電荷は +1、質量は 1.0073 amu です。 中性子の電荷はゼロで、質量は 1.0087 amu です。 電子の電荷は -1、質量は 0.00055 amu です。 原子核内の陽子の数は原子番号 (Z) と呼ばれ、原子の元素の正体を定義します。 原子核内の陽子と中性子の数の合計は質量数と呼ばれ、amu で表されると原子の質量にほぼ等しくなります。 原子に含まれる電子と陽子の数が等しい場合、原子は中性になります。

原子核周囲の電子の分布を説明する原子構造を記述するために、さまざまなモデルが提案されました。 ド・ブロイの関係式は、電子が粒子と波の両方の性質を持つことを定量化しました。 この波と粒子の二重性をさらに定量化して、ハイゼンベルクは不確定性原理を与えました。電子の位置 (粒子の性質に関連する) と速度またはエネルギー (波の性質に関連する) を同時に完全な精度で決定することはできません。 量子力学モデルは、原子構造のより正確な図を与えます。 これは、原子に含まれる特定のエネルギーを持つ電子の 3 次元位置を、波動関数 ψ^2 の二乗で表される確率分布として記述されます。 原子の波動関数または原子軌道は、電子が存在する可能性が最も高い原子内の領域を表します。

原子軌道は 3 つの量子数によって特徴付けられます。 主量子数 n は、エネルギー準位または「シェル」の位置に関して軌道をグループ化します。 角運動量または方位量子数 l は、軌道をその形状に基づいて「サブシェル」にグループ化します。 0 から n – 1 までの整数値を持ち、s (l = 0)、p (l = 1)、d (l = 2)、f (l = 3)、g (l = 4) 、h (l = 5) の文字で表されます。 磁気量子数 m_l は、-l から +l までの範囲の 2l + 1 値で、空間内の軌道の方向を表します。 さらに、各電子のスピン量子数 m_s は ±1/2 に等しくなります。 同じ原子内の 2 つの電子が、4 つの量子数すべてについて同じ値をとることはできません。

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Electronic StructureAtomsNucleusProtonsNeutronsElectronsQuantum MechanicsAtomic OrbitalsQuantum NumbersQuantum Mechanical ModelAtomic NumberElemental IdentityMass NumberNeutral AtomDe Broglie RelationWave particle DualityHeisenberg

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