原子とは｜定義・構造・周期表・電子・陽子の基礎解説

単語 "原子"はカット、（ἀ）から不可分、ギリシャ語（ἀτόμος） "atomos"、ない、とτόμοςから来ています。単語原子の最初の歴史的言及は、紀元前400年頃、ギリシャの哲学者Democritusによる作品から来ています。原子論は1650sの化学の開発まで、あまり実際の科学的調査や研究ではなく、主に哲学的な主題として滞在した。

1777年、フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォワジエが初めて元素という言葉を定義しました。彼は、元素とは、化学の方法では他の物質に分解することができない基本的な物質であると述べた。分解できる物質はすべて化合物であった。

1803年、イギリスの哲学者ジョン・ダルトンは、元素は原子でできた小さな固体のボールであることを示唆しました。ダルトンは、同じ元素の原子はすべて同じ質量を持っていると考えていました。ダルトンは、2つ以上の元素の原子が結合して化合物が形成されると述べた。ダルトンによると、ある化合物では、その化合物の元素の原子は常に同じように結合しているという。

1827年、イギリスの科学者ロバート・ブラウンは水中の花粉粒を顕微鏡で観察しました。花粉の粒がピクピク動いているように見えました。ブラウンはダルトンの原子論を使って、花粉の動きのパターンを説明しました。これはブラウニアン運動と呼ばれていた。1905年にアルバート・アインシュタインは、一見ランダムな動きが原子の反応によって引き起こされたことを証明するために数学を使用し、これを行うことによって、彼は決定的に原子の存在を証明した。1869年には、ロシアの科学者ドミトリー・メンデレーエフが周期表の最初のバージョンを発表しました。周期表は、原子番号（陽子の数。これは通常、電子の数と同じです）。)同じ列（周期）にある元素は、通常、似たような性質を持っています。例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンはすべて同じ列にあり、非常に似た性質を持っています。これらの元素はすべて無色透明で臭いもない気体です。また、他の原子と結合して化合物を形成することができません。これらを合わせて希ガスと呼ばれています。

電子を最初に発見したのは、物理学者のJ.J.トムソンでした。これは1897年に彼が陰極線の研究をしていたときに起こったことです。彼は、陽子（正）や中性子（無電荷）とは異なり、電子は負の電荷を持っていることに気付きました。トムソンは、原子はプラムプリンのようなもので、ドライフルーツ（電子）がプリンの塊（陽子）の中にはまっているというプラムプリンモデルを作りました。1909年、アーネスト・ラザフォードという科学者がガイガー・マースデン実験を用いて、原子の大部分が原子核と呼ばれる非常に小さな空間にあることを証明しました。ラザフォードは写真のプレートを金箔で覆い、そこにアルファ粒子（陽子2個と中性子2個がくっついてできた粒子）をぶつけたのですが、多くの粒子は金箔を通り抜けてしまいました。粒子の多くは金箔を通過し、原子はほとんどが空っぽの空間であることが証明されました。電子はとても小さく、原子の質量の1%しかありません。

1913年、ニールス・ボーアはボーアモデルを発表しました。このモデルは、電子が固定された円軌道で原子核の周りを移動することを示した。これはラザフォードモデルよりも正確でした。しかし、まだ完全に正しいとは言えませんでした。最初に導入されて以来、ボーアモデルは改良されてきました。

1925年、化学者のフレデリック・ソディは、周期表のいくつかの元素が2種類以上の原子を持っていることを発見しました。例えば、陽子が2個ある原子は、ヘリウム原子でなければなりません。通常、ヘリウムの原子核は2個の中性子も含んでいます。しかし、ヘリウム原子の中には中性子を1個しか持っていないものもあります。これは、元素は陽子の数で定義されるので、それらは本当にヘリウムであることを意味しますが、それらも通常のヘリウムではありません。ソディは、このように中性子の数が異なる原子を同位体と呼んでいました。同位体の名前を得るためには、原子核に含まれる陽子と中性子の数を見て、これを元素名に加えます。ですから、陽子が2個で中性子が1個のヘリウム原子はヘリウム3、陽子が6個で中性子が6個の炭素原子は炭素12と呼ばれます。しかし、ソディが理論を展開したときには、中性子が実際に存在するかどうか確信が持てませんでした。中性子が実在することを証明するために、物理学者のジェームズ・チャドウィックらのチームが質量分析計を作りました。質量分析計は実際に個々の原子の質量と重さを測定します。これにより，チャドウィックは原子の全重量を計算するためには中性子が存在しなければならないことを証明しました。

1937年、ドイツの化学者オットー・ハーンは、実験室で初めて核分裂を起こしました。彼は、新しい同位体を作ろうとウラン原子に中性子を照射していたときに、このことを偶然発見しました。しかし、彼はウランが新しい同位体ではなく、ウランよりも小さいバリウム原子に変わっていることに気がつきました。どうやら、ハーンはウラン原子を「壊して」しまったようです。これが世界で初めて記録された核分裂反応であった。この発見は、最終的には原子爆弾の開発につながった。

20世紀に入ると、物理学者たちは原子の謎をさらに深く掘り下げていきました。粒子加速器を使って、陽子と中性子が実はクォークと呼ばれる他の粒子でできていることを発見しました。

これまでのところ最も正確なモデルは、シュレーディンガー方程式から来ています。シュレーディンガーは、電子が原子核の周りにある電子雲と呼ばれる雲の中に存在していることに気付きました。電子雲の中では、電子がどこにあるのかを正確に知ることはできません。そこで、電子がどこにありそうかを知るために、シュレーディンガーの方程式を使います。この領域を電子の軌道と呼びます。

部品

複素原子は、陽子、中性子、電子の3つの粒子で構成されています。水素の同位体である水素-1は、中性子を持たず、陽子と電子が1つだけです。正の水素イオンは電子を持たず、陽子と中性子が1個だけです。この2つの例は、他のすべての原子がそれぞれ少なくとも1つの陽子、1つの中性子、1つの電子を持つという規則の例外として知られている唯一の例です。

電子は3つの原子粒子の中で最も小さい粒子であり、その質量と大きさは現在の技術では測定できないほど小さい。電子は負の電荷を持っています。陽子と中性子は大きさや重さが似ていて、陽子は正に帯電していて、中性子は無に帯電しています。ほとんどの原子は中性の電荷を持っており、陽子（正）と電子（負）の数が同じなので、電荷のバランスが取れてゼロになります。しかし、イオン（電子の数が違う）では、必ずしもそうとは限らず、正の電荷を持っていたり、負の電荷を持っていたりします。陽子と中性子は、アップクォークとダウンクォークの2種類のクォークでできています。陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークでできており、中性子は2つのダウンクォークと1つのアップクォークでできています。

核

原子核は原子の真ん中にあります。陽子と中性子で構成されています。通常、自然界では、同じ電荷を持つ2つのものが互いに反発したり、撃ち合ったりします。そのため、原子核の中の正に帯電した陽子がどうやって一緒にいるのかは、長い間、科学者にとって謎でした。彼らは、グルオンと呼ばれる粒子を見つけることで、この謎を解き明かしました。グルーオンは原子の接着剤のような働きをし、強い核の力を使って陽子をくっつけているので、その名前は「グルー」という言葉に由来しています。この力は、陽子と中性子を構成するクォークも一緒に保持しています。

陽子に対する中性子の数は、原子核が安定しているか、放射性崩壊を経ているかを決定します。中性子や陽子の数が多すぎると、原子は余分な粒子を取り除いて数を同じにしようとします。これは、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊の形で放射線を放出することによって行われます。原子核は他の方法でも変化します。核分裂とは、原子核が二つの小さな原子核に分裂し、蓄積されたエネルギーを放出することです。このエネルギーの放出によって、核分裂は爆弾を作ったり、原子力発電という形で電気を作ったりするのに役立っています。もう一つは、2つの原子核が結合して、より重い原子核を作る核融合です。この過程では、陽子同士が同じ電荷を持っているため、静電的反発を克服するために、非常に大きなエネルギーが必要となります。このような高エネルギーは、水素を燃料として融合させる太陽のような星に多く見られます。

電子

電子は原子核の周りを回っています。電子は原子の電子雲と呼ばれています。電子は電磁力のために原子核に向かって引き寄せられます。電子は負の電荷を持っていますが、原子核は常に正の電荷を持っているので、お互いに引き合っています。原子核の周りでは、いくつかの電子が他の電子よりも離れたところにあり、さまざまな層になっています。これらは電子の殻と呼ばれています。ほとんどの原子では、最初の殻は2個の電子を持ち、それ以降はすべて8個の電子を持っています。例外はまれにありますが、実際に起こりますが、予測するのは難しいです。電子が原子核から離れれば離れるほど、原子核の引っ張り力は弱くなります。これが、電子数の多い大きな原子ほど、他の原子と反応しやすい理由です。原子核の電磁気は電子を保持するほど強くなく、原子は小さい原子の強い引力によって電子を失ってしまいます。

一部の元素や多くの同位体は、不安定核と呼ばれるものを持っています。これは、原子核が大きすぎて自分自身を保持できないか、陽子や中性子が多すぎることを意味します。このような場合、原子核は余分な質量や粒子を取り除かなければなりません。これは放射線によって行われます。このような原子は放射性物質と呼ばれます。不安定な原子は、質量や粒子が十分に失われて安定になるまで放射性物質であり続けます。原子番号82（82個の陽子、鉛）以上の原子はすべて放射性です。

放射性崩壊には大きく分けてアルファ、ベータ、ガンマの3種類があります。

• アルファ崩壊とは、原子が2つの陽子と2つの中性子を持つ粒子を放出することです。これは本質的にはヘリウム原子核です。その結果、原子番号2の元素が以前よりも少なくなります。ですから、例えば、ベリリウム（原子番号4）の原子がアルファ崩壊を経ると、ヘリウム（原子番号2）になります。アルファ崩壊は、原子が大きすぎて、質量を取り除く必要があるときに起こります。
• ベータ崩壊とは、中性子が陽子になる場合と、陽子が中性子になる場合があります。最初のケースでは、原子は電子を放出します。2番目の場合は陽電子（電子のようなものですが、正の電荷を持っています）になります。その結果、原子番号が1つ高くなったり、1つ低くなったりする元素ができあがります。ベータ崩壊は、原子の陽子数が多すぎるか、中性子数が多すぎる場合に起こります。
• ガンマ線崩壊とは、原子がガンマ線（波）を放出することです。これは、原子核のエネルギーに変化があるときに起こります。これは通常、原子核がすでにアルファ崩壊やベータ崩壊を経た後に起こります。原子核の質量や原子番号、原子に変化はなく、原子核内に蓄積されたエネルギーだけが変化します。

すべての放射性元素や同位体には、半減期と呼ばれるものがあります。これは、その種類の原子のサンプルの半分が崩壊して、別の安定した同位体や元素になるまでにかかる時間のことです。大きな原子や、陽子と中性子の数に大きな差がある同位体は、安定になるためにはより多くの中性子を失わなければならないため、半減期が長くなります。

マリー・キュリーは放射線の最初の形態を発見しました。彼女は元素を発見し、ラジウムと名付けました。彼女は女性初のノーベル賞受賞者でもあります。

フレデリック・ソディはラジウムが崩壊するときに何が起こるかを観察する実験を行いました。彼は電球の中に試料を入れて、ラジウムが崩壊するのを待ちました。すると突然、電球の中にヘリウム（陽子2個と中性子2個を含む）が現れ、この実験から、この種の放射線は正の電荷を持っていることを発見しました。

ジェームズ・チャドウィックは、さまざまな種類の放射性同位体の崩壊生成物を観察することによって、中性子を発見しました。チャドウィックは、元素の原子数が原子の総質量よりも少ないことに気づきました。彼は、電子はほとんど質量を持っていないので、電子が余分な質量の原因ではないと結論づけました。

エンリコ・フェルミは、中性子を使ってウランに向かって中性子を発射しました。彼は、ウランが通常よりもはるかに早く崩壊し、アルファ粒子とベータ粒子を大量に生成することを発見しました。彼はまた、ウランがヘスペリウムという新しい元素に変化したと考えていました。

オットー・ハンとフリッツ・ストラスマンは、新元素ヘスペリウムが実際に作られたかどうかを確かめるために、フェルミの実験を繰り返しました。彼らはフェルミが観測しなかった二つの新しいことを発見しました。中性子をたくさん使うと原子核が分裂して、多くの熱エネルギーが発生することです。また、ウランの核分裂生成物であるトリウム、パラジウム、ラジウム、ラドン、鉛もすでに発見されていました。

そしてフェルミは、あるウラン原子の核分裂でさらに多くの中性子が放出され、それが他の原子を分裂させて連鎖反応を起こしていることに気づきました。フェルミは、この過程を核分裂と呼び、膨大な熱エネルギーを生み出すことに気付きました。

まさにフェルミの発見が、コードネーム「トリニティ」と名付けられた最初の核爆弾の開発につながったのです。