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  • How do you picture an atom in your mind?

    どうやって原子を思い浮かべますか?

  • Like this? like this, or maybe one of these?

    こんな感じかな?

  • If you understand enough about atoms to visualize any of those things,

    原子のことを十分に理解していれば、どれか一つでも可視化できます。

  • then you know more about atomic theory than a scientist did just a hundred years ago .

    ならば、たった100年前の科学者よりも、原子論をよく知っているということになる。

  • And like way more than they thought they knew 2500 years ago .

    2500年前に知っていたと思っていたよりも ずっと多くのことを知っていたような...

  • That's when Greek philosopher Leucippus and his pupil Democritus

    それはギリシャの哲学者ロイシッポスと弟子のデモクリタスが

  • first came up with the idea that matter is composed of tiny particles

    ぱっと思いついたのは

  • No one knows how they developed this concept,

    このコンセプトをどうやって開発したのか、誰も知らない。

  • but they didn't think that the particles were particularly special,

    が、粒子が特に特別なものだとは思っていなかったそうです。

  • they just thought that if you cut something in half enough times,

    何かを十分に半分に切ったら、と考えただけだそうです。

  • eventually you'll reach a particle that can't be cut anymore.

    そのうち切れなくなった粒子に辿り着きます。

  • They gave these particles the name 'A Tomos'

    彼らはこれらの粒子に「トモス」という名前をつけました。

  • which means uncuttable or indivisible

    切っても切れない

  • So basically, they though that iron was made up of iron particles

    つまり、基本的には鉄は鉄の粒子でできていると考えていたのです。

  • and clay was made up of clay particles

    と粘土が粘土の粒子で構成されていました。

  • and cheese was made up of cheese particles.

    とチーズはチーズ粒子で構成されていました。

  • And they attributed properties of each substance to the forms of the atoms.

    そして、それぞれの物質の性質を原子の形に帰着させたのです。

  • So they thought that iron atoms were hard and stuck together with hooks.

    だから、鉄の原子は硬くてフックでくっついていると思っていたそうです。

  • Clay atoms were softer and attached by a ball and socket joints that made them flexible.

    粘土の原子は柔らかく、ボールとソケットのつなぎ目でくっついていたので、柔軟性がありました。

  • And cheese atoms were squishy and delicious.

    そしてチーズアトムはふにゃふにゃで美味しかったです。

  • Now this makes a certain amount of sense if you don't happen to have access

    これで、たまたまアクセスできなかったとしても、ある程度の意味はある。

  • to electron microscopes or cathode ray tubes or the work of generations of previous scientists.

    電子顕微鏡や陰極線管、あるいは何世代にもわたる科学者たちの仕事を見てきました。

  • Cause the fact is, atom theory, as we know it today, is the product of hundreds,

    事実、原子論は今日の我々が知っているように、何百もの産物だからだ。

  • if not thousands of different insights.

    数千ではないにしても、何千もの異なる洞察力を持っています。

  • Some models, like that of Leucippus were just blind guesses.

    ロイシッポスのようなモデルもありますが、それは盲目的な推測に過ぎません。

  • As time went on, many more were the result of rigorous experimentation.

    時間が経つにつれ、それ以上に多くのことが厳密な実験の結果となりました。

  • But, as has been the case in all science,

    しかし、すべての科学においてそうであったように

  • each scientist built on what had been learned before.

    それぞれの科学者は、以前に学んだことの上に成り立っています。

  • We've been talking a lot about the fine details of chemistry in recent weeks

    ここ数週間、化学の細かい部分の話ばかりしていましたが

  • and we're gonna keep doing that as we move on to nuclear chemistry,

    核化学に進む間はそれを続けるつもりです。

  • and then to the basics of organic chemistry.

    そして、有機化学の基礎へ。

  • But before we do, I wanted to set aside some time to explain how we know

    しかし、その前に、私たちがどうやって知っているのかを説明する時間を設けたいと思います。

  • what we know about the atom today,

    今日の原子について知っていること

  • and how we know that we're not quite done figuring it out.

    と、まだ解明が終わっていないことをどうやって知るのか。

  • Theme music

    ♪テーマ曲♪♪

  • Now you might think that once Leucippus and Democritus came up with the general idea of atoms,

    今では、ロイシッポスとデモクリトゥスが原子の一般的なアイデアを思いついたと思うかもしれません。

  • it'd be pretty easy for someone else to take that little, indivisible ball and run with it.

    誰かがその小さな不可分のボールを持って走るのは簡単だよ

  • But you'd be wrong.

    でも、あなたは間違っているでしょう。

  • The next major developments in atomic theory didn't come along

    原子論の次の大きな発展はなかった

  • for nearly twenty-three hundred years.

    約2300年もの間

  • I've already told you for instance, about the French chemist, Antoine Lavoisier,

    例えば、フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォワジエのことは、もうお話ししましたね。

  • who proposed the law of Conservation of Mass,

    マスの保存法を提唱した

  • which states that even if matter changes shape or form,

    これは、物質が形や形を変えても、それが変化するということを述べています。

  • its mass stays the same.

    その質量は同じままです。

  • And you should remember the English teacher, James Dalton,

    そして、英語教師のジェームズ・ダルトンを忘れてはいけません。

  • who determined that elements exist as discrete packets of matter.

    要素が物質の離散的なパケットとして存在することを決定した人。

  • Thanks to these, and other great minds, by the 1800's

    おかげで1800年代までには

  • We had a better grip on the general behavior of atoms.

    原子の一般的な振る舞いについては、私たちの方が把握していました。

  • The next logical question was Why?

    次の論理的な質問は「なぜ?

  • Why do they behave the way they do?

    なぜ彼らはそのように振る舞うのでしょうか?

  • This led to the investigation of atomic structure.

    これが原子構造の研究につながった。

  • In the 1870's, scientists began probing what stuff was made of using discharge tubes.

    1870年代になると、科学者たちは放電管を使って何が何でできているのかを調べ始めました。

  • Basically, gas filled tubes with electrodes at each end,

    基本的には、両端に電極を有するガス充填管を使用します。

  • which emit light when an electrical current passes through them.

    これは、電流が流れると発光するものです。

  • Basically, what a neon light is.

    基本的には、ネオンライトとは何か。

  • Because this light was originally produced by a negative electrode or a cathode,

    なぜなら、この光は元々は負極や陰極から発生した光だからです。

  • it was called a cathode ray and it had a negative charge.

    それは陰極線と呼ばれ、負の電荷を持っていました。

  • But in 1886, German physicist, Eugen Goldstein

    しかし、1886年にドイツの物理学者オイゲン・ゴールドシュタインが

  • found that the tubes also emitted light from the positive electrode.

    チューブが正極からも発光していることがわかりました。

  • Basically, a ray heading in the opposite direction,

    基本的には逆方向に向かう光線。

  • which meant that there must also be a positive charge in matter.

    これは、物質にも正の電荷が存在しなければならないことを意味していました。

  • Goldstein didn't fully understand what he'd discovered here,

    ゴールドスタインはここで発見したことを完全には理解していなかった。

  • I mean scientists still hadn't figured out what was responsible for the negative charge in the rays either.

    科学者たちは、光線のマイナス電荷の原因が何であるのか、まだ解明していなかったのです。

  • Then English physicist, J.J Thompson took the discharge tube research further.

    その後、イギリスの物理学者J.J.トンプソンが放電管の研究をさらに進めました。

  • By measuring how much heat the cathode rays generated,

    陰極線の発熱量を測定することで

  • how much they could be bent by magnets and other things,

    磁石などでどれだけ曲がってしまうか。

  • he was able to estimate the mass of the rays.

    彼は光線の質量を推定することができました。

  • And the mass was about 1,000 times lighter than a hydrogen,

    しかも質量は水素の1000倍くらいの軽さだった。

  • the smallest bit of matter known at the time.

    当時知られていた最小の物質

  • He concluded that the cathode "rays" weren't rays or waves at all,

    彼は、陰極の「光線」は全く光線でも波でもないと結論づけた。

  • but were in fact, very light, very small negatively charged particles.

    しかし、実際には非常に軽く、非常に小さな負電荷を帯びた粒子でした。

  • He called them corpuscles.

    彼はそれをコーパスクルと呼んでいました。

  • We call them electrons.

    私たちはそれを電子と呼んでいます。

  • So even though we didn't understand what shapes they took,

    だから、どんな形をしているのかわからなかったとしても

  • we knew that they were both negative and positive components to matter.

    ネガティブな要素とポジティブな要素の両方があることを知っていました。

  • The next question was--

    次の質問は...

  • How were they arranged in the atom?

    原子の中ではどのように配置されていたのでしょうか?

  • Thompson knew that the atom overall had a neutral charge

    トンプソンは原子全体が中性電荷を持っていることを知っていた。

  • so he imagined that the negatively charged electrons must be distributed randomly

    負に帯電した電子がランダムに分布していることを想像していました。

  • in a positively charged matrix.

    が正に帯電したマトリックスの中にあることを示しています。

  • And the very English Thompson visualized this model as a familiar English dessert.

    そして、まさにイングリッシュ・トンプソンは、このモデルを身近なイングリッシュ・デザートとして可視化した。

  • Plum pudding--

    プラムプディング...

  • the positive matrix being the cake,

    正の行列がケーキであることを示しています。

  • and the electrons the random, floating bits of fruit within it.

    電子はその中のランダムで浮遊する果実の断片だ

  • Even today, Thompson's model of the atom continues to be called "The Plum pudding Model".

    現在でも、トンプソンの原子モデルは「プラムプリンモデル」と呼ばれ続けています。

  • And while a single electron's motion is random,

    そして、単一電子の動きはランダムだが

  • the overall distribution of them is not.

    それらの全体的な分布は

  • The next big step was taken by New Zealander, Earnest Rutherford in 1909.

    次に大きな一歩を踏み出したのは、1909年にニュージーランド人のアーネスト・ラザフォードだった。

  • He designed an experiment using an extremely thin sheet of gold foil and a screen coated with zinc sulfide.

    彼は、極薄の金箔と硫化亜鉛でコーティングしたスクリーンを使った実験を考案した。

  • He bombarded the foil with alpha particles,

    彼はアルファ粒子で箔を爆撃した。

  • which he didn't really know what they were,

    彼はそれらが何であるかを本当に知らなかった。

  • just that they were produced by the decay of radium.

    ただ、ラジウムの崩壊によって生成されたというだけのことです。

  • They were positively charged and they were really, really small.

    ポジティブになっていて、本当に、本当に小さくなっていました。

  • He expected them to just fly right through the foil with no deflection,

    彼は彼らがたわみなしでホイルを通り抜けることを期待していました。

  • and many of them did just that.

    と多くの人がそうしていました。

  • But as it turned out, some of the particles were deflected at large angles

    しかし、その結果、一部の粒子が大きな角度で偏向していることが判明しました。

  • and sometimes, almost straight backward.

    と、時には、ほぼ真っ直ぐ後ろ向きに。

  • The only explanation for this was that the entire positive charge in an atom,

    これを説明したのは、原子の中の正電荷全体が

  • the charge that would repel a alpha particle,

    アルファ粒子を反発させる電荷。

  • must be concentrated in a very small area.

    は、非常に小さなエリアに集中している必要があります。

  • An area that he called, the nucleus.

    彼が「核」と呼んでいた領域。

  • Because most of the alpha particles passed right through the atom undeterred,

    アルファ粒子のほとんどが原子を通過したため、躊躇せずに右に通過した。

  • Rutherford concluded that most of the atom is empty space!

    ラザフォードは、原子のほとんどが空っぽの空間であると結論づけたのです

  • And he was correct!

    そして、彼は正しかった!

  • Rutherford would later discover that if he bombarded nitrogen with alpha particles,

    ラザフォードは後に、彼がアルファ粒子で窒素を爆撃した場合、そのことを発見することになります。

  • it created a bunch of hydrogen ions.

    水素イオンの束を作った

  • Now, he correctly surmised

    今、彼は正しく推測した

  • that these tiny, positively charged ions were themselves, fundamental particles.

    これらの小さな正電荷のイオンは、それ自体が基本的な粒子であることがわかりました。

  • Protons

    プロトン

  • Now we're getting close to reality!

    いよいよ現実に近づいてきましたね!

  • So these chemists had a fairly good idea of the structure of the atom,

    この化学者たちは、原子の構造をかなりよく知っていたのですね。

  • they just needed to figure out what exactly the electrons were doing.

    電子が何をしているのかを 正確に把握する必要があった

  • Enter Niels Bohr!

    ニールス・ボーアの登場です

  • In 1911, the same year the results of Rutherford's gold foil experiment were published,

    同年の1911年には、ラザフォードの金箔実験の結果が発表されています。

  • Bohr traveled to England to study with Rutherford.

    ボーアはイギリスに渡り、ラザフォードに師事しました。

  • And as a physicist, he was also interested in the mathematical model

    また、物理学者として、数学モデルの

  • set forth by German physicists, Max Plank and Albert Einstein

    マックスプランクとアルバートアインシュタインが提唱した

  • to explain the behavior of electromagnetic energy.

    電磁エネルギーの振る舞いを説明するために

  • Over time, Bohr came to realize that these mathematical principles could be applied to Rutherford's atom model.

    時が経つにつれ、ボーアはこれらの数学的原理がラザフォードの原子モデルに応用できることに気づくようになりました。

  • His analysis of the gold foil experiment,

    金箔実験の彼の分析。

  • calculations based on the proportion of alpha particles that went straight through,

    直進したα粒子の割合から計算してみた

  • those that were slightly deflected,

    やや偏向していたもの。

  • and those that bounced almost completely backward,

    と、ほぼ完全に後ろに跳ね返ったもの。

  • allowed him to predict the most likely positions of the electrons within the atom.

    彼は原子内の電子の位置を予測することを可能にしました。

  • Bohr's resulting model, sometimes called the planetary model, is still familiar to most people,

    ボーアが導き出したモデルは、惑星モデルと呼ばれることもあり、今でも多くの人に親しまれています。

  • probably including you.

    おそらくあなたも含めて

  • It represents the electrons in orbits around a small, central nucleus.

    小さな中心核を中心とした軌道上の電子を表しています。

  • Each orbit can have a specific number of electrons,

    各軌道は、特定の数の電子を有することができる。

  • which correlates to the energy levels and orbitals in the modern model of an atom.

    これは、現代の原子モデルのエネルギー準位や軌道と相関しています。

  • And while it's definitely flawed,

    確かに欠陥はあるが

  • Bohr's model is very close to reality in some important ways.

    ボーアのモデルは、いくつかの重要な点で現実に非常に近いものです。

  • But unlike everyone that I've mentioned in the past couple of minutes,

    でも、ここ数分で言ったみんなと違って

  • Bohr was at once fantastically right

    ボーアは一度にして正しかった

  • and way off.

    と道を外れた。

  • The problem was those pesky electrons.

    問題はそれらの厄介な電子だった。

  • It was the German theoretical physicist, Werner Heisenberg,

    ドイツの理論物理学者、ヴェルナー・ハイゼンベルクだった。

  • who got everyone to understand just how huge and mind-blowing this electron problem was.

    この電子の問題がどれほど巨大で心を揺さぶるものであったかを皆に理解させたのは彼です。

  • But he was also the one who helped tie the whole mess up into a neat, little bundle.

    しかし、彼はまた、すべての混乱をきちんとした小さな束に結びつけるのを助けた人でもありました。

  • Using his wicked math chops,

    彼の邪悪な数学のチョップを使って

  • Heisenberg discovered that it is impossible to know with certainty

    ハイゼンベルクが発見したのは、確実に知ることは不可能だということです。

  • both the momentum of an electron or any sub-atomic particle

    共に電子の運動量

  • and its exact position.

    とその正確な位置を示しています。

  • And the more you know about one of those two variables,

    そして、その2つの変数のうちの1つを知っていればいるほど

  • the harder it gets to measure the other one.

    もう一人を測るのが大変になればなるほど

  • So if you can't measure the position or momentum of an electron,

    だから電子の位置や運動量が測れないなら

  • you obviously can't say with certainty that the electrons in an atom are all neatly aligned in circular orbits.

    原子の電子がすべて円軌道上にきれいに並んでいるとは断言できません。

  • So he and the new wave of physicists and chemists proposed a new theory.

    そこで、彼と物理学者や化学者の新しい波が新しい理論を提唱したのです。

  • A quantum theory,

    量子論ですね。

  • which proposes that electrons weren't particles or waves,

    電子は粒子や波ではなかったと提案する

  • instead, they had properties of both and neither.

    の代わりに、両方の性質を持っていて、どちらでもないという性質を持っていました。

  • By this thinking, the arrangement of electrons around a nucleus could only be described

    この考え方では、原子核の周りの電子の配置を記述することしかできません。

  • in terms of probability.

    確率的には

  • In other words, there are certain regions where an electron is much more likely to be found.

    つまり、電子が存在する可能性が高い領域があるということです。

  • We call these regions orbitals.

    これらの領域を軌道と呼んでいます。

  • You know, the very same orbitals that you and I have been talking about.

    あなたと私が話していたのと同じ軌道だわ

  • The ones that go by the names 's' and 'p' and 'd' and 'f',

    名前の's'と'p'と'd'と'f'で通じるもの。

  • and that forms sigma and pi bonds.

    シグマとπの結合を形成している

  • Those are the things that Heisenberg's theory predict,

    それらはハイゼンベルクの理論が予測したものです。

  • and that's the modern understanding of atoms.

    それが現代の原子の理解です。

  • Because it's based of probability,

    確率に基づいているからです。

  • quantum style atoms are often drawn as clouds,

    量子スタイルの原子はよく雲として描かれています。

  • with the intensity of color representing not individual electrons,

    個々の電子ではなく、色の強さで表現しています。