原子模型・原子論とは：起源・歴史・構成要素と主要理論の定義

化学や物理の分野では、原子に対する理解がどのように変化してきたかを説明するのが原子論です。かつて、原子は最小の物質であると考えられていました。しかし、現在では、原子は陽子、中性子、電子で構成されていることがわかっています。注意すべき点として、これらの素粒子はクォークで構成されています、という記述は正確には補足が必要です。具体的には、陽子と中性子は内部にクォークを持つ複合粒子（バリオン）であり、電子はクォークとは異なる分類の素粒子（レプトン）です。

起源と歴史的発展

原子の概念は古代ギリシャの哲学にまで遡り、原子についての最初のアイデアは、ギリシャの哲学者デモクリトスによるものでした。近代的な原子論は19世紀の科学的研究により形を取り、イギリスの化学者・物理学者であるジョン・ダルトンが原子説を体系化しました。ダルトンの原子説は、化学反応は原子の再配列であり、元素ごとに固有の原子が存在する、という基本的考えを示しました。

その後の重要な発見と実験（例：J. J. トムソンの陰極線実験による電子の発見、アーネスト・ラザフォードの金箔散乱実験による原子核の存在、ジェームズ・チャドウィックによる中性子の発見、モーズリーによる原子番号の同定、アインシュタインによるブラウン運動の理論的説明など）が、原子モデルを次々と改良しました。

原子の構成要素と性質

原子核：陽子（正電荷）と中性子（電荷は中性）の集合体で、原子質量の大部分を占める。陽子の数が元素を決定する（原子番号）。
電子：負電荷を持ち、原子核の周りの空間に広がる電子雲（軌道）に存在する。化学的性質や結合は主に電子の配置によって決まる。
クォーク：陽子・中性子といったハドロンは、アップ・ダウンなどのクォークで構成される。これらの結合を説明するのが量子色力学（QCD）である。
その他の素粒子：電子はレプトンに分類され、素粒子物理学ではクォーク、レプトン、ゲージボソン（力を伝える粒子）などが標準模型で説明される。

主要な原子モデルと理論

球状粒子モデル（ダルトン）：原子を不可分で硬い球とみなした古典的モデル。
プラムプディングモデル（トムソン）：電子が正電荷に埋め込まれているというモデル。
核模型（ラザフォード）：ほとんどの質量と正電荷が小さな核に集中し、電子が周りを回るという構造を示した。
ボーア模型：水素原子のスペクトルを説明するために量子化された軌道を導入。主量子数による離散エネルギーを説明した。
量子力学的原子模型（シュレディンガー、ハイゼンベルクなど）：電子を波動関数で記述し、電子軌道（s, p, d, f）と確率分布としての電子雲の概念を確立。ハイゼンベルクの不確定性原理やパウリの排他原理も化学結合の理解に不可欠。
原子核・素粒子理論：原子核の構造や放射性崩壊、核反応（核分裂・核融合）を記述するために核物理学や素粒子物理学が発展。クォーク模型や標準模型が高エネルギー領域での挙動を説明する。

適用範囲と限界

この理論は、固体、液体、気体といった通常の物質状態における物質の構造・性質を説明するのに非常に有効です。原子軌道や電子配置は化学結合、反応性、物性の理解に直結します。しかし、次のような極端な条件では単純な原子モデルだけでは不十分です。

プラズマ：高温で電子が原子から剥ぎ取られた状態では、個々の原子モデルではなくプラズマ物理学が必要となる。
中性子星やブラックホール近傍：重力や高密度条件のため、一般相対性理論や超高密度物質の状態方程式、核物理学の深い理解が必要。
高エネルギー相互作用：素粒子レベルの振る舞い（生成・崩壊・散乱など）は標準模型や量子場理論で扱う。

現代的意義と応用

原子論は化学の法則（質量保存、定比例の法則、定比の法則など）と密接に結びつき、周期表や物質合成、触媒設計、材料科学、ナノテクノロジー、半導体技術、核エネルギー、放射線利用など多くの応用分野の基盤です。また、原子スケールの理解は医療（放射線治療、同位体診断）や天文学（恒星の核反応、元素合成）にも貢献しています。

まとめ

原子論は古代から現代まで段階的に発展してきた科学的枠組みであり、元素の本質を理解するための中核です。実験的発見と理論的発展（量子力学、核物理学、素粒子物理学）の連携により、原子の内部構造から物質の巨視的性質まで一貫した説明が可能になっています。一方で、プラズマや極端な天体環境など、別の理論やモデルを必要とする領域も存在します。

デモクリトスはギリシャの哲学者、紀元前460年

ロジャー・ジョセフ・ボスコビッチ原子理論の原型を提供したクロアチアのイエズス会士

ジョン・ダルトン（1766-1844）：イギリスの化学者・物理学者

イギリスの物理学者、サー・ジョセフ・ジョン・トムソン（1856-1940）は、電子とその負電荷を発見した。ノーベル物理学賞を受賞。

デモクリトスの原子論

デモクリトスは、何度も何度も半分に切っていくと、最後にはやめなければならないと考えました。この最後の一片の物質は、これ以上小さくすることはできない、と。デモクリトスは、この小さな物質のかけらを、「不可分」という意味の「原子」と呼びました。彼は、原子は永遠に存続し、変化することもなく、破壊されることもないと考えた。デモクリトスは、原子と原子の間には何もなく、原子の働きがわかれば、私たちの身の回りのものはすべて説明できると考えていました。

賛同する哲学者もいれば、反対する哲学者もいた。彼らには、彼の理論が正しいかどうかを示す実験の方法がなかった。

ボスコビッチの原子理論

1758年、ロジャー・ジョセフ・ボスコビッチは、原子理論の先駆けとなる記述を行った。

ドルトンの原子理論

1803年、カンバーランド生まれのイギリス人科学者ジョン・ダルトンは、デモクリトスの説を次のように練り直した。

すべての物質は原子で構成されています。
原子は目に見えない不可分の粒子であること。
同じ元素の原子は、同じ種類、同じ質量であること。
化学物質を構成する原子は、決まった割合で存在しています。
化学変化は、化学反応に参加している原子の再編成に対応する。

ドルトンは、「原子」を「化学的結合を担う元素の基本単位」と定義した。

トムソンの原子モデル

1850年、ウィリアム・クルック卿は、空気を抜いたガラス管の両端に金属製の電極を付け、高電圧源に接続した「放電管」を製作した。放電管の中を真空にすると、陰極（マイナスの電荷を帯びた電極）から陽極（プラスの電荷を帯びた電極）に向かって光の放電が見られる。クルックはこの発光を「陰極線」と名付けた。

陰極線の実験の後、トムソンは、放出された光線は負の電荷が正の極に引き寄せられてできたものであることを明らかにした。トムソンは原子が電気的に中性であることを知っていたが、そのためには原子が同じ量の負電荷と正電荷を持つ必要があることを明らかにした。この負の電荷を電子（e-）と名付けた。

トムソンは、原子の中性電荷に関する仮定に基づき、正電荷を帯びた球体に負電荷を帯びた電子がはめ込まれているという最初の原子モデルを提唱した。これは「プルーム・プディング・モデル」と呼ばれている。

1906年、ロバート・ミリカンは、電子のクーロン（C）電荷が-1.6×10⁻¹⁹であることを明らかにし、その結果、電子の質量は9.109×10⁻³¹kgという小さなものになった。

同じ頃、1886年にユージン・ゴールドスタインが陰極放電管を使った実験で、正電荷の質量が1.6726 * 10⁻²⁷ kg、電荷が+1,6 * 10 C⁻¹⁹であることを明らかにした。

Thomsonモデルの模式図。

ラザフォードの原子モデル

1910年、ニュージーランドの物理学者アーネスト・ラザフォードは、「原子の正電荷は、その中心である原子核とその周りの電子（e-）に多く存在する」という考えを打ち出した。

ラザフォードは、非常に薄い金箔を硫化亜鉛のランプシェードで囲み、アルファ線源（ヘリウムからの放射）を当てると可視光が発生することを示した。この実験は、ガイガー・マルスデン実験または金箔実験と呼ばれた

この段階では、原子の主要な要素が明らかになっており、さらに、ある元素の原子が同位体で存在することも発見された。同位体とは、原子核の中に存在する中性子の数が異なるものである。このモデルはよく理解されていましたが、現代の物理学はさらに発展しており、現在の考え方を簡単に理解することはできません。現在の原子物理学の考え方は、下の表のリンクから知ることができます。

アーネスト・ラザフォード卿の原子実験

現代物理学

原子は、陽子や中性子などの素粒子からできているので、素粒子ではありません。なぜなら、陽子や中性子は、クォークと呼ばれるさらに小さな粒子がグルーオンと呼ばれる別の粒子によって結合されているからです（原子の中でクォークを「糊付け」しているから）。クォークが素粒子であるのは、クォークがそれ以上分解できないからです。

質問と回答

Q:原子論とは何ですか?

A:原子論は、原子の理解が時代とともにどのように変化してきたかを説明するものです。

Q: 原子はかつてどのようなものだと考えられていたのですか?

A: 原子は、かつて物質の最小の部分であると考えられていました。

Q: 原子は実際には何からできているのですか?

A: 原子は、陽子、中性子、電子からできています。

Q: 素粒子は何からできているのですか?

A: 素粒子はクォークからできています。

Q: 原子のアイデアを最初に思いついたギリシャの哲学者は誰ですか?

A:原子の最初のアイデアはギリシャの哲学者デモクリトスから生まれました。

Q:現代の理論に多くのアイデアを提供したイギリスの化学者・物理学者は誰でしょう?

A: イギリスの化学者、物理学者であるジョン・ドルトンは、現代理論に多くのアイデアを提供した。

Q: 原子論はプラズマや中性子星に適用されるのか?

A: 固体、液体、気体には適用されますが、プラズマや中性子星には当てはまりません。