原子 構造

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原子

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/03/08 23:44 UTC 版)

構造

亜原子粒子

詳細は「亜原子粒子」を参照

原子（atom）という言葉はもともと、小さな粒子に切断できない粒子を意味するが、現代の科学的用法では、原子はさまざまな亜原子粒子（英: subatomic particles）から構成される物質の基本的な構成要素を指す。原子を構成する粒子は、電子、陽子、そして中性子である。

電子は負の電荷を持ち、質量が 9.11×10−31 kg で、これらの粒子の中で圧倒的に小さく、そのため利用可能な技術で大きさを測定することができない[43]。ニュートリノの質量が発見されるまで、電子は正の静止質量が測定された最も軽い粒子であった。通常の条件下において、電子は、正電荷を帯びた原子核に、その反対電荷から生じる引力によって束縛される。原子の電子数がその原子番号より大きい（または小さい）場合、原子は全体として負（または正）に帯電し、帯電した原子はイオンと呼ばれる。電子は19世紀後半から知られていたが、J.J.トムソンの貢献が大きかった（素粒子物理学の歴史（英語版）を参照）。

陽子は正の電荷を持ち、質量は1.6726×10−27 kg、電子の質量の1,836倍である。原子内の陽子の数を原子番号という。アーネスト・ラザフォードは、1917-1919年にかけ、アルファ粒子の衝突を受けた窒素から水素原子核と考えられるものが放出されることを観測した。1920年までに、彼は水素原子核が原子内の別個の粒子であると考え、これを陽子と名付けた。

中性子は電荷を持たず、自由質量は 1.6749×10−27 kgで、電子の質量の1,839倍である[44][45]。中性子は3つの構成粒子の中で最も重いが、その質量は核結合エネルギー（英語版）によって減る可能性がある。中性子と陽子（総称して核子という）は、どちらも 2.5×10−15 m 程度の大きさを持つが、これらの粒子の「表面」は明確に定義されていない[46]。中性子は1932年にイギリスの物理学者ジェームズ・チャドウィックによって発見された。

物理学の標準モデルでは、電子は内部構造を持たない真の素粒子であり、陽子と中性子はクォークと呼ばれる素粒子から構成される複合粒子である。原子には2種類のクォークがあり、それぞれが分数の電荷を持っている。陽子は、2個のアップクォーク（それぞれの電荷は+2/3）と1個のダウンクォーク（電荷は−1/3）で構成されている。中性子は、1個のアップクォークと2個のダウンクォークで構成されている。この区別で、2種類の粒子の質量と電荷の違いが説明される[47][48]。

クォークは、グルーオンを介した強い相互作用（強い力ともいう）によって結合している。陽子と中性子は、原子核の中で核力によって互いに結びついている。核力は強い力が残留したもので、その範囲や性質は多少異なる（詳しくは核力（英語版）を参照）。グルーオンは、物理的な力を媒介する素粒子であるゲージ粒子の一種である[47][48]。

原子核

詳細は「原子核」を参照
さまざまな同位体の結合エネルギー曲線。核子が原子核から脱出するのに要する結合エネルギーは同位体によって異なる。X軸は原子核中の核子数、Y軸は核子あたりの平均結合エネルギー(MeV)

原子中で、すべての陽子と中性子は結合して、小さな原子核を構成する。原子核の半径はおよそ

2個の陽子 (p) から1個の陽子と1個の中性子 (n) からなる重水素原子核を形成する核融合プロセスを示す。反物質電子である陽電子 (e+) が、電子ニュートリノとともに放出される。

原子核内の陽子と中性子の数を変えることができるが、それには強い力が働くため、非常に高いエネルギーを必要とする。核融合は、2つの原子核のエネルギー的な衝突などにより、複数の原子粒子が結合してより重い原子核を形成するときに起こる。たとえば、太陽の中心部では、陽子が相互反発（クーロン障壁）を乗り越えて融合し、1つの原子核を形成するために、3-10 keVのエネルギーを必要とする[53]。核分裂はその逆のプロセスで、通常は放射性崩壊によって原子核が2つの小さな原子核に分裂する。また、原子核は、高エネルギーの亜原子粒子や光子との衝突によっても変化することがある。これによって原子核内の陽子の数が変わると、原子は別の化学元素に変化する[54][55]。

核融合反応後の原子核の質量が、個々の粒子の合計質量よりも小さい場合、2つの質量差は、アルベルト・アインシュタインの質量とエネルギー等価性の式、e=mc2（ここで m は質量損失、 c は光速）で説明されるように、利用可能なエネルギーの一種（ガンマ線やベータ粒子の運動エネルギーなど）として放出される。この欠損は新しい原子核の結合エネルギーの一部であり、融合粒子が分離するためにこのエネルギーを必要とする状態で一緒に留まるのは、このエネルギーの回復不可能な損失のためである[56]。

鉄やニッケルよりも原子番号が小さな原子核（核子数の合計が約60以下）を作り出す2個の原子核の核融合は、通常、発熱プロセスであり、2つの原子核を融合させるのに必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを放出する[57]。恒星の核融合を自立反応にしているのは、このエネルギー放出プロセスである。より重い原子核では、核子あたりの結合エネルギーは減少し始める（上のグラフを参照）。このことは、原子番号が約26より大きく、質量数が約60より大きな原子核を生成する核融合プロセスは吸熱プロセスであることを意味する。したがって、より質量が大きな原子核は、恒星の静水圧平衡を維持するのに必要なエネルギーを生み出す核融合反応を起こすことができない[52]。

電子雲

詳細は「電子配置」、「電子殻」、および「原子軌道」を参照
「電気陰性度」も参照
古典力学に従って、各位置 x に到達するのに必要な最小エネルギー V(x) を示すポテンシャル井戸。古典的には、エネルギー E を持つ粒子は、x1 と x2 の間の位置範囲に束縛される。

原子内の電子は、電磁気力によって原子核内の陽子に引き寄せられる。この力によって電子は、小さな原子核を取り囲む静電ポテンシャル井戸（英語版）の中に束縛され、電子が脱出するためには外部のエネルギー源が必要となる。電子が原子核に近づくほど、この引力は大きくなる。したがって、ポテンシャル井戸の中心付近に束縛された電子は、それよりも離れた位置にある電子よりも、脱出するのに多くのエネルギーを必要とする。

電子は、他の粒子と同様に、粒子と波の両方の性質を持っている。電子雲は、ポテンシャル井戸の内側にある領域で、各電子が一種の三次元定在波（原子核に対して相対的に動かない波形）を形成している。この挙動は原子軌道によって規定される。原子軌道とは、電子の位置を測定したときに、その電子が特定の位置にあるように見える確率を記述する数学的関数である[58]。原子核の周りには、このような離散的な（または量子化された）軌道の集合だけが存在する（他の考えられる波動パターンは、より安定した形へと急速に減衰するため）[59]。軌道は1つまたは複数のリング構造またはノード構造を持つことができ、大きさ、形状、方向がそれぞれ異なる[60]。

水素様原子の原子軌道の確率密度と位相を示す3次元の図 (g軌道とそれ以上は表示されない)

それぞれの原子軌道は、電子の特定のエネルギー準位に対応している。電子は、新しい量子状態に遷移するのに十分なエネルギーの光子を吸収することで、その状態をより高いエネルギー準位に変えることができる。同様に、高いエネルギー準位にある電子は、自然放出によって余剰なエネルギーを光子として放射しながら、低いエネルギー準位に落ちることができる。量子状態のエネルギーの違いによって規定されるこれらの特徴的なエネルギー値が、原子スペクトル線 (en:英語版) が生じる原因である[59]。

原子から電子を除去または追加するのに必要なエネルギー量（電子結合エネルギー (en:英語版) ）は、核子の結合エネルギーよりもはるかに小さい。たとえば、水素原子から基底状態の電子を取り除くのに必要なエネルギーはわずか 13.6 eV であるのに対し[61]、重水素の原子核を分裂させるのに必要なエネルギーは 223万eV に達する[62]。陽子と電子が同数であれば、原子は電気的に中性である。電子が不足または過剰な原子はイオンと呼ばれる。原子核から最も遠い電子は、近くにある別の原子に移動したり、原子間で共有されることがある。この機構により、原子が結合して分子を構成したり、イオン結晶やネットワーク共有結合結晶のような他の種類の化合物と結合することができる[63]。


脚注

注釈

  1. ^ 否定語「a-」と「切断」を意味する「τομή」の組み合わせ。
  2. ^ 説明をわかりやすくするため、酸化鉄(II)の式を、従来のFeOではなく「Fe2O2」と表記した。
  3. ^ 通常、円運動する電荷は、加速時に電磁波を放出することで運動エネルギーを失う （シンクロトロン放射を参照）
  4. ^ 最近の更新情報については、ブルックヘブン国立研究所の Interactive Chart of Nuclides Archived 25 July 2020 at the Wayback Machine. を参照。
  5. ^ 1カラットは200 mg。定義によれば、炭素12は1 molあたり 0.012 kg である。アボガドロ定数は1 mol当たり6×1023個の原子を含むと定義される。

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