ボーアと量子モデルの違い

ボーア模型と量子模型は、原子の構造を説明するモデルです。ボーア模型は、ラザフォード模型を改良したものであるため、ラザフォード・ボーア模型とも呼ばれる。ボーア模型は、1915年にニールス・ボーアによって提唱された。量子モデルとは、現代の原子のモデルである。ボーア模型と量子模型の大きな違いは、ボーア模型が電子を粒子と考えるのに対し、量子模型は電子が粒子と波の両方の振る舞いをすると説明することである。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. ボーアモデルとは 3. 量子モデルとは 4. 横並び比較 -ボーアモデルと量子モデルを表形式で 5. まとめ

ボーアモデルは何ですか？

前述のように、ボーア模型は原子の構造を原子核の周りを電子が取り囲んでいると説明するもので、ラザフォード模型を改良したものである。しかし、ボーア模型はラザフォード模型よりも進んでいて、電子は常に原子核の周りの特定の殻層や軌道を移動していると言っているのです。これは、これらの殻層が異なるエネルギーを持ち、球状であることも説明できる。これは、水素原子の線スペクトルを見ることで得られたものです。

線スペクトルに不連続な線があることから、ボーアは、原子の軌道は一定のエネルギーを持っており、電子はあるエネルギー準位から別のエネルギー準位にジャンプしてエネルギーを放出したり吸収したりして、スペクトルに線を形成することを指摘したのである。

ボーア模型の主要な仮定

• 電子は原子核の周りを一定の大きさとエネルギーを持つ球状の軌道を描いて移動する。
• それぞれの軌道は、原子核から外側に向かってn＝1、2、3など、あるいはn＝K、L、Mなどと名付けられた異なる半径を持っており、nはエネルギーレベルの固定数である。
• 軌道のエネルギーは、その大きさに関係します。
• 最も小さい軌道は最も低いエネルギーを持ち、電子が最も低いエネルギー準位にあるとき、原子は完全に安定する。
• 電子がある軌道を運動しているとき、その電子のエネルギーは一定である。
• 電子は、エネルギーを吸収したり放出したりすることで、あるエネルギー準位から別のエネルギー準位へと移動することができます。
• この動きによって放射線が発生するのです。

ボーアのモデルは、電子が1個しかなく、小さな正電荷の原子核を持つ水素原子によく合っている。これに加えて、ボーアはプランク定数を用いて原子レベルのエネルギーを計算した。

図01：ボーアの水素モデル

しかし、ボーア模型は、水素以外の原子の原子構造を説明する上では、ほとんど欠点がない。

ボーア模型の限界

• ボーア模型ではゼーマン効果（磁場が原子のスペクトルに及ぼす影響）を説明できない。
• シュタルク効果（電場が原子のスペクトルに及ぼす影響）を説明することはできない。
• ボーア模型では、大きな原子のスペクトルを説明することはできない。

量子モデルは何ですか？

量子モデルはボーアモデルに比べて理解が難しいが、大きな原子や複雑な原子の観測結果を正確に説明することができる。この量子モデルは、量子論に基づくものです。量子論では、電子は粒子と波の二重性を持ち、電子の位置を特定することは不可能である（測定の不正確さの原理）。そのため、電子が軌道上のどの位置にも存在する確率を主な根拠としたモデルとなっています。また、軌道は必ずしも球形でないことも書かれている。軌道はエネルギー準位に応じた特殊な形状をしており、3次元構造となっている。

量子モデルによると、電子は量子数で表すことができる。

• 主量子数, n
• 角運動量量子数、I
• 磁気量子数, ml
• スピン量子数, ms

主量子数は、原子核に対する軌道の平均距離とエネルギー準位を説明するものである。角運動量量子数とは、軌道の形状を説明するものです。磁気量子数とは、空間における軌道の向きを表すものです。スピン量子数とは、磁場中での電子のスピンと、電子の波の性質を与えるものである。

図2：原子軌道の空間構造。

ボーアと量子モデルの違い

概要 - ボーア vs. 量子モデル

原子のモデルにはいくつかの種類があるが、最もよく知られているのはボーア模型と量子模型である。この2つのモデルは密接に関連しているが、量子モデルはボーアモデルよりも詳細である。ボーア模型では、電子は粒子として振る舞うが、量子模型では、粒子と波の両方として振る舞うと説明されている。これがボーア模型と量子模型の大きな違いである。

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引用

1 「ボール原子モデル｜シュレーディンガーの原子論」化学.バイジャス教室.2016年11月8日.ウェブこちらからご覧いただけます 2017年6月5日原子構造：量子力学モデル」、Dummy.n, p., N.d. Web.こちらから入手できます 2017.6.5 2 原子構造：量子力学のモデル〉、ダミー n、p、N.d.ネットワーク。