原子の構造とスペクトル · AtomLab

α 粒子散乱実験

トムソンは、原子は一様な正電荷のかたまりで、電子がぶどうのように埋め込まれていると考えました（「ぶどうパン」モデル）。もしそうなら、金箔を通る α 粒子はほんの少ししか曲がらないはずです。

ガイガーとマースデンは放射線源の α 粒子をごく薄い金箔に当て、硫化亜鉛の蛍光スクリーンに出る閃光を顕微鏡で数えました：ほとんどの α 粒子はほぼまっすぐ進み、少数が大きな角度で曲がり、ごくわずか（約 8000 分の 1）は 90° 以上曲がって、ほとんど跳ね返るものもあった。ラザフォードはこれから原子核モデルを提案しました。

スクリーンを回していくつかの角度で 1 分間ずつ数え、次に原子のスケールへ潜って正面衝突を待ちましょう。電場の中で電子がどう曲がるかは FieldLab で見られます。

水素原子スペクトル

放電管の中の水素はばら紫色に光ります。回折格子を通すと、その光は連続した虹ではなく、いくつかのとびとびの輝線——線スペクトルになります。元素ごとに固有の線があり、指紋のようです。

回折格子は 1 mm あたり 600 本の溝があり、1 次の輝線は d sin θ = λ を満たします。望遠鏡を回して接眼レンズの十字線に線を合わせ、角度を記録すれば波長がわかります。バルマーは水素の 4 本の可視線が 1/λ = R(1/2² − 1/n²) を満たすことを見つけました。R をリュードベリ定数といいます。

回折格子のしくみは OpticsLab、光子 1 個のエネルギー hν は PhotonLab で見られます。

ボーアモデルと準位間の遷移

ボーアは、電子は特定の軌道の上でしか運動できず、原子がこうした定常状態にあるときは放射しないと提案しました。水素原子のエネルギーは Eₙ = −13.6 eV / n²、軌道半径は rₙ = n²r₁ です。

原子が高い準位 m から低い準位 n へ遷移すると光子を 1 個放出し、hν = Eₘ − Eₙ となります。逆に、準位の差にちょうど等しいエネルギーの光子だけが吸収されます。n = 2 に落ちる遷移こそが第 2 課のバルマー線です。13.6 eV を超えると電子は原子からたたき出されます（電離）。

右のエネルギー準位図の準位をクリックすると、ちょうどよい光子を撃てます。ボーアモデルは多電子原子をうまく説明できません。電子の本当の姿は OrbitalLab の電子雲で見られます。

フランク–ヘルツの実験

フィラメント（陰極）から出た電子は加速電圧 U で加速され、グリッドを過ぎたあと、小さな阻止電圧に打ち勝たなければ陽極に届きません。管には水銀蒸気（またはネオン）が入っています。

電子の運動エネルギーが水銀原子の第一励起エネルギー 4.9 eV より小さいうちは、水銀原子との衝突は弾性的で、エネルギーをほとんど失いません。4.9 eV に達すると、そのエネルギーをまるごと水銀原子に渡してほとんど止まり、陽極に届かず電流が落ちます。だから電流は約 4.9 V ごとに落ちるのです。励起された水銀原子は 253.7 nm の紫外線（4.9 eV の光子）を出します。

ネオン管に替えると励起エネルギーは約 18.7 eV で、励起されたネオン原子はオレンジ色の光を出すので、管の中に光の層が直接見えます。光子のエネルギーは PhotonLab で扱っています。

確認テスト

4 つの課題をふり返り、下の選択問題に答えよう。