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単語帳
高校1~高校2年生 (15-17歳)

原子模型の変遷

Atomic Models

原子模型は、新しい実験結果が出るたびに変わってきました。 トムソンは電子を発見してプラムプディング模型を、ラザフォードはα粒子散乱で核模型を、ボーアは線スペクトルを説明する軌道模型を提案しました。 ボーア模型では電子のエネルギーは主量子数nで量子化され、準位間を遷移するとき特定の波長の光が出ます。 このページではタイムラインで模型の変遷を追い、主量子数を変えてエネルギー準位と遷移を調べます。

なぜ原子模型は変わったのか?
💡 核心:新しい実験 → 新しい模型
①トムソン:電子発見 → ぶどうパン模型(正電荷の中に電子)
②ラザフォード:α粒子散乱 → 核模型(原子核発見)
③ボーア:線スペクトル → 軌道模型(量子化)
④現代:電子の波動性 → オービタル模型(確率分布)
ボーア模型 — エネルギー準位
2
水素原子エネルギー準位
En = -13.6n2 [eV]
nが大きいほどエネルギー↑(0に近づく)
電子遷移時の光エネルギー
ΔE = E - E = hν
h:プランク定数、ν:振動数
🔍 スライダーを操作しよう!
①n=1:基底状態 → E = -13.6 eV(最安定)
②n=2:第一励起状態 → E = -3.4 eV
③nが大きくなるほど間隔が狭まる
④n→∞ならE→0(電離)
線スペクトルと電子遷移
光子エネルギー
E = hν = hcλ
h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, c = 3×10⁸ m/s
💡 電子遷移と光
①高いn → 低いnへ落ちる時に光放出
②エネルギー差大 → 振動数大(波長短)
③水素の線スペクトル = 遷移エネルギーの証拠
④基底状態(n=1)への遷移:紫外線(ライマン系列)
⑤n=2への遷移:可視光(バルマー系列)
実際に解いてみる
例題 1
ラザフォードのα粒子散乱実験では、ほとんどの粒子は直進したが、一部は大きな角度で跳ね返された。ここから分かる原子の構造は?
1
ほとんどの粒子がそのまま通り抜けた事実を解釈する。
ほとんど直進 → 原子内部はほとんど空間
2
一部が大きな角度で跳ね返った事実を解釈する。
少数の大角度散乱 → 小さく重い(+)原子核が存在
原子核(中心の小さく重い+電荷)の発見
質量と正電荷がごく小さな中心に集中していてこそ大角度散乱が説明できる。
例題 2
ボーア模型がトムソン・ラザフォード模型と違って説明できた現象は?
1
電子はどこにでもあるのではなく、特定の位置にのみ存在すると仮定する。
電子は特定のエネルギー準位(軌道)にのみ存在
2
電子が準位間を移るときに光を放出・吸収すると考える。
準位遷移で特定振動数の光を放出/吸収 → 線スペクトル
水素原子の線スペクトル
エネルギー準位が量子化されていてこそ不連続な線スペクトルが現れる。
総まとめ
ボーアエネルギー準位
En = -13.6n2 [eV]
水素原子電子のエネルギー
遷移エネルギー
ΔE = 13.6(1nf2 - 1ni2) [eV]
ni → nf 遷移時のエネルギー変化
2021 評価院 模試 化学Ⅰ 類題
水素原子の不連続な線スペクトルを初めて説明した原子模型は?
ドルトン模型
トムソン模型
ラザフォード模型
ボーア模型
現代のオービタル模型
④ ボーア模型
1
トムソン・ラザフォード模型は線スペクトルを説明できない。
2
ボーアは電子のエネルギー準位を量子化して線スペクトルを説明した。
ボーア:エネルギー準位の量子化 → 不連続な線スペクトルを説明
🎯 試験ポイント
①順序:トムソン→ラザフォード→ボーア→現代
②ボーアの限界:水素のみ説明可
③E_n = -13.6/n² 必須暗記
④線スペクトル = 不連続エネルギー準位の証拠
⑤n=1基底状態が最安定(最低エネルギー)
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モル濃度
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電子配置
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