原子・元素・原子核

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原子・元素・原子核に関わるテーマについて考えたり、学んだことを書いた記事をまとめています。

運営しているクリエイター: 小林良彦

#化学

現代の「錬金術」：言葉に付け加わる新たな意味

時の流れと共に、言葉に新たな意味が付け加わることは稀ではない。今回取り上げる「錬金術」もその一つだ。「錬金術」は元々、中世ヨーロッパなどで行われていた試みのことを指していた。この試みは研究というよりは、儀式の要素が強かったとも聞く。ちなみに、あのアイザック・ニュートンも熱狂していたことが伝えられている。結局、彼らの「卑金属から貴金属を生み出す」という野望は叶わなかった。それはひとえに彼らが化学反応しか扱えなかったことによる。原子核反応でしか元素は変化しない化学反応

太陽系の元素組成から垣間見る原子核の構造

原子核は「陽子と中性子の集合体」だ。その集合体が生み出す性質はとても豊かで、かつ、まだまだ謎に包まれている。原子核の「構造」の重要性は太陽系の元素組成からも垣間見ることができる。さて、私たちの住む太陽系はどのような元素でできているのか。太陽光や隕石などの分析によって、それは明らかにされている。上図は太陽系の元素組成を表したグラフだ。縦軸が各元素の割合を示し、横軸が原子番号（つまり元素）を表している。グラフの特徴からは、原子核が“単なる”陽子と中性子の集合体ではない

原子核反応を使えば新しい元素をつくることもできる

原子核反応を使えば、陽子の数（原子番号）を変えることもできる。それは、元素を変えることに相当する。つまり、ある元素から、別の元素を作ることができるのだ。例えば、43番元素テクネチウム（Tc）や61番元素プロメチウム（Pm）は原子核反応を通して人工的に合成し発見された元素だ。このように、原子核反応を使って、未知の元素を発見することもできる。 2016年に、以下の四つの新元素が国際的に認定され、元素周期表に載ることが決まった。「113番元素」→ Nihonium「Nh」

陽子の数を変えれば元素も変わる

元素の名前は陽子の数（原子番号）で指定される。ということは、陽子の数を変えることができれば、元素を変えることができることになる。これはいわば、ある元素から別の元素を生み出す〈錬金術〉とも言える。その〈錬金術〉を可能にするのが、原子核反応だ。以下の式は、人類史上初の人工的に行われた原子核反応だ。アーネスト・ラザフォード博士（1871～1937）らの研究グループによって、1919年に成された。彼らは、窒素14の原子核（14N）にヘリウム4の原子核（4He：α粒子とも呼ばれ

原子核で元素を読み解く

水素（H）、ヘリウム（He）、ニホニウム（Nh）...このような元素の分類は原子核で決まっている。原子核には、陽子と中性子、という二つの構成要素がある。図の左は、炭素（C）を例にした原子核の概念図だ。図の右には、元素記号を用いた原子核の表示例を示してある。元素の名前は原子番号に対応している。そして、その原子番号の正体は陽子の数だ。今の場合、陽子が6個あるので、炭素（C）となる。陽子が1個（原子番号が1）は水素（H）、陽子が2個（原子番号が2）はヘリウム（He）、陽

元素周期表は陽子の数が少ない順に並んでいる

スイヘー、リーベー、ボクノフネ…。1番が水素（H）、2番がヘリウム（He）、3番がリチウム（Li）…といった具合に、周期表に並ぶ元素には“順番”がある。この順番はどのように決められているのか？元素の順番は原子番号と呼ばれる。元素とは原子の種類なので、納得の名称だ。原子番号はいわば、元素の背番号と言えるだろう。「1番は水素」「2番はヘリウム」と決まっているのだ。この原子番号の正体は、陽子の数だ。陽子とは、原子の中心にある原子核の構成要素の一つだ。原子核は陽子と中性子の集

原子核はなぜまとまっているのか？

原子の中心には原子核がある。原子核にはさらに構成要素がある。陽子（ようし）と中性子（ちゅうせいし）だ。まとめて、核子（かくし）と呼ばれたりもする。原子核の大きさは、おおよそ10 fm（フェムトメートル）。他方で核子は、だいたい1 fm。とてつもなく小さな存在だ。下図には、原子核と核子（陽子と中性子）の概念図を示してある。陽子と中性子はとても似ており、その大きさや重さも瓜二つ。ただし、似ていない点もある。それは電気的な性質だ。陽子はプラスの電気（+1）を帯びているが、中

原子はどのくらい小さいのか？

私たちも、ミミズもオケラもアメンボも、身の周りのものは全て、原子からできている。しかし、原子はとても小さな存在なため、肉眼では到底見えない。では、原子はどのくらい小さいのだろうか。髪の毛の断面を100万分割すると、だいたい原子1個分になる原子の大きさ（直径）はおおよそ0.1 nm。「nm」は「ナノメートル」と読む。“ナノ”は「ナノテクノロジー」などの“ナノ”だ。 “ナノ”はどの程度小さいのだろうか。髪の毛を例に考えてみる。髪の毛の太さは、だいたい0.1 mm（ミリメート

実験と理論で探る原子の姿

原子の中心には原子核があり、その周りに電子が存在している。しかし、原子はとても小さく、肉眼では到底見ることができない。ではなぜ、そのような原子の姿が分かるのだろうか。原子の姿を見破った研究が行われた時代にさかのぼってみたい。原子の中心にはとても小さな“核”がある20世紀が始まった頃。アーネスト・ラザフォード博士（1871～1937）の研究グループは驚くべき実験結果を得た（1909年）。それは、プラスの電気を持ったα粒子を原子に照射すると、たまに跳ね返されてくる、と

原子は原子核と電子からできている

身の周りの物質を細かく細かく見ていくと、原子（げんし）に辿り着く。つまり、物質は原子からできているのだ。その原子には種類があり、その種類は元素（げんそ）と呼ばれる。下図には、炭素（C）という種類の原子（元素）から成るグラファイトを示した。この物質は、えんぴつの芯の材料でもある。グラファイトを細かく細かくした上で、電子顕微鏡というハイテク顕微鏡を使うと、原子の輪郭を写すことができる。図の右端には、電子顕微鏡から読み取れる、グラファイトのイメージ図を示している。このイメー

化学反応とは原子の組み合わせの変化

物質を細かく細かく見ていくと、原子や分子に行きつく。つまりは、身の周りの物質は原子（元素）からできているのだ。自然界においては複数個の原子が結合し、一つの分子として存在する。中には原子1個で分子として動いているものもあり、単原子分子と呼ばれる。それら原子や分子を考えることで、化学反応も理解することができる。原子の組み合わせを変える化学反応以下では、炭素が燃える、つまり、炭素と酸素が結合する化学反応を例に話を進めたい。下図は、その概念図だ。図中の黒丸が酸素原子、

元素周期表はたまに“進化”する

元素とは原子の種類だ。すると、元素周期表は「原子の種類の一覧表」だと理解できる。では、原子の種類、つまり、元素は、何種類あるのだろうか。この疑問は、実のところ未だに謎に包まれている。元素は今のところ118種類が知られているスイヘーリーベー、ボクノフネ、ナナマガリシップス… 元素周期表は水素（H）から始まる。現在、周期表に記載されている元素の数は118個に及ぶ。「現在」と書いたのには、理由がある。元素は、たまに追加されるためである。例えば、112番元素「フレロビウム（

元素とは原子の種類のこと

分子は元素記号を用いて表すことができる。例えば、それぞれ、水分子、二酸化炭素分子、窒素分子を表している。ちなみに、これらの記号は分子の集合体の意味も持つ。例えば、H2Oは「水分子」を表し、かつ、その集合体である「水」の意味も持っている。さて、ここでは水分子1個に注目すると、以下のような表し方がある。理科の教科書を開けば、よく登場するものたちだ。これらから「原子（げんし）」の存在が浮かび上がってくる。模式図を見ると、水分子は黒丸1個と白丸2個から成ることが分

ミクロとマクロをつなぐボルツマンの関係式

熱いお湯に冷たい水を加えると、ぬるま湯になる。コーヒーに牛乳を混ぜると、コーヒー牛乳になる。周知の現象だ。しかし、その逆はない。これも周知の事実だろう。例えば、ぬるま湯がいつの間にか、熱いお湯と冷たい水に分離するなんてことは起こらない。コーヒー牛乳の場合も同様だ。なぜだろうか。これを説明するのにも「分子（ぶんし）」が重要になる。自然界はごちゃまぜが好き：エントロピーという熱力学量大学で熱力学の講義を受講すると、「エントロピー」という量を習う。これは物事の「乱雑さ」