You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
身の回りのもの全てが 原子でできているとか 原子は とてもとても 小さいものだと 知っているかもしれないね どの原子にも核があり 少なくとも1つの プラスの電荷を持つ陽子と プラスの電荷を持つ陽子と 通常 似たような数の 電荷を持たない 中性子からなっている この核の周りを マイナスの電荷を帯びた 電子が飛び回っている 原子が何の原子であるかは 原子核の中にある 陽子の数で決まるんだ 陽子が1つだけなら水素 陽子が6つなら炭素 79個あれば金の原子だと 全てこのように決まっている ちょっと横道にそれてみよう どうやって原子の構造が分かるのか? 陽子、中性子、電子は 実際見ることはできない だから 実験を重ねて 予測するものの モデルを構築する さらに実験を繰り返し 結果がモデルに合うか確かめる モデルに合えば素晴らしいが 合わなければ 新しいモデルが必要とわかる 紀元前400年のデモクリトスの 原子論以来 いろいろな原子モデルが提案されてきた この先も新しいものが いくつも生まれるだろう では ここで本題に戻ろう 原子の核にあるものは くっついて固まっているが 電子は自由に動き回っている だから化学者は電子が好きなんだ 結婚できるものなら したいくらいだ でも 電子は実に変わっている 小さいけれど 野球のボールのように 粒子としてふるまったり 水の波のようにふるまったりもする 実験の仕方によって 違う性質を示すんだ 特に電子が変わっているのは その位置が はっきり分からないこと 計測する装置が問題ではなく この不確定さが 現在の電子のモデルになっている だから 正確な位置はわからないが 原子核の周囲の特定の場所に 電子が存在するかどうかを 確率で示すことはできる だから こんな質問もできるんだ 原子核のまわりに 95%の確率で 特定の電子がみつかる 空間を描いたら どんな形になるだろう? 実はこんな形になる これらは電子軌道と呼ばれ それぞれの形は 主に 軌道の エネルギーの量で決まってくる 軌道のエネルギーが大きいほど 電子が存在する確率が 最も高い場所は 核から より離れていく ところで なぜ95%の確率で 100%ではないのだろう? これもまた ちょっと変わった 電子のモデルが関係している 原子核からある程度離れてしまうと 電子がそこで見つかる確率が 減っていくが 指数関数的な減り方をする つまり 確率は限りなくゼロに近づくが 完全にゼロにはならない ということは ある原子に属する電子が かすかだが ほんの短時間 ほんの少しの確率で 遠く離れた 宇宙の果てに 存在する可能性があるわけだ でも 通常 電子は 原子核の近くで マイナスの電荷を持つ粒子として 濃淡のある雲の様に 時間と共に変化しながら存在する ある原子に属する電子が 他の原子に属する電子と どう関わるかが ほぼ あらゆるものを決定する 原子は自分の電子を 他の原子に渡したり 他の原子と共有したりできるんだ このような原子間の関係が 化学をおもしろいものにしている そこらへんの石ころから 複雑な生物まで そこらへんの石ころから 複雑な生物まで 私たちが 見たり 聞いたり 私たちが 見たり 聞いたり 匂いや味や 手で触って感じるもの 匂いや味や 手で触って感じるもの 匂いや味や 手で触って感じるもの 匂いや味や 手で触って感じるもの 全ての本質が 原子レベルで 決まっているんだ