●原子【げんし】

荷電粒子を発生させることなく分割できる物質の最小単位。これはまた元素に特有な性質を維持できる物質の最小単位でもある。原子の概念は紀元前5世紀のギリシアの哲学者デモクリトスの唱えた「アトモス」 (「不可分な」の意) に始る。この見解は長く支配的で，19世紀に入って近代的な科学実験と数学的な演繹による物質の構築単位に関するさらに精密な概念が生じるまで続いた。 1808年イギリスの化学者 J.ドールトンにより統一的な原子論が提唱された。原子そのものの研究に基づく近代原子論の基礎となったのは，E.ラザフォードによる原子構造の解析と，H.G.J.モーズリーによる原子番号のもつ物理的意義の解明である。これにより原子は原子核と核外電子から成ることが確かめられた。
すべての物質は分子の集りから成る。さらに，分子は化学結合によって結ばれた原子から成る。個々の原子は電子と原子核から構成される。原子もまた大きなエネルギーを加えることによってその構成粒子に分けられる。原子核を構成する陽子と中性子および電子もさらに巨大なエネルギーを与えると，寿命の短い各種の素粒子に分けることができる。原子の中央に陽子と中性子から成る稠密な中心部である核がある。これらの核子は小さいが非常に重く，核は原子全体の質量の 99.9%以上を構成するが，体積はおよそ 10^-14 を占めるだけである。核子はきわめて近接したときに核力が働き，互いに結着して核を形成する。陽子はそれぞれ正の電荷をもち，中性子はまったく電荷をもたないため，核は正の電荷を帯びている。陽子と中性子はどちらも小さな粒子であるが，これらはクォークと呼ばれるさらに小さな粒子により構成されている。核のまわりは，負の電荷をもち質量がほとんどない電子という粒子の拡散した雲でおおわれている。相反する電荷同士は引きつけ合うので，負に荷電した電子は正に荷電した核に拘束される。電気的に中性の原子の中では，電子の数は核の正電荷数 (つまり核中の陽子数) と等しい。
しかし原子は全体として，正の電荷よりも多かったり少かったりする電子をもつこともある。こうした荷電原子はイオンと呼ばれる。各原子あるいは各イオンの内部では，電子は静止しているのではなく核の周囲をめぐる複雑な軌道上を動いていると考えられる。1つの原子の大きさ，他の原子や粒子および電磁放射に対する反応性は，核の周囲をまわっている電子の配置で決定される。原子は電子の転移や共有を行うことで互いに結合して，分子のようなより大きな構造を形成する (→原子価電子 ) 。1つの原子核に結びついている電子が近くの他の原子核と引きつけ合う現象 (→ファン・デル・ワールス力 ) によって，液体や固体の形成機構をほぼ説明できる。原子の最も重要な特性は核内にある陽子の数を示す原子番号である。同じ原子番号の原子はすべてほぼ同一の化学的特性をもち同族の元素を構成する。元素を構成する原子がすべて核内に同じ数の中性子をもっているわけではない。原子番号が同じでも中性子の数が異なる原子を，その元素のアイソトープと呼ぶ。アイソトープは同じ化学的特性をもちながらも，質量，核反応における放射性の傾向，磁気特性といった異なる核の特性を示す。原子に関する研究は水素原子のスペクトルの解析，アイソトープの発見，量子力学の導入，素粒子の発見などにより補足され，精密化され，現在にいたっている。

原子核とマイナスの電荷をもつ電子からなる粒子。原子核はさらにプラスの電荷をもつ陽子と電荷のない中性子で構成される(ただし、大部分の水素原子は中性子をもたない)。陽子の数を原子番号、陽子と中性子の合計数を質量数と呼ぶ。同じ原子でも中性子の個数が違うものがあり、同位体という。どの原子のどういう同位体かを示すのが核種。例えば炭素原子は「炭素12」「炭素13」「炭素14」の3つの核種が存在する。原子名のあとの数字は質量数。原子はふつう陽子の数と電子の数が等しいので電気的には中性である。しかし、電子が何個かはがれたり、付け加わったりすると全体としてプラスやマイナスの電荷をもつようになる。この状態をイオンと呼ぶ。原子が化学結合によって複数結びつくと分子となる。
(渥美好司 朝日新聞記者 ／ 2008年)

原子は物質要素の実体を指す呼び名で、「これ以上分けることができないもの」という意味。元素は同種の原子を包括する呼び名。原子の種類は全宇宙を調べても92種類ほどしかなく、人工的に作られた元素を含めて113種が知られている。自然界の多様性、人工的に作り出された様々な物質のすべては、これらの原子の組み合わせからできている。原子に内部構造があることを最初に実験的に示したのは、トムソン(J.J.Thomson、1856〜1940)で、負(-)の電荷を持った軽い粒子(電子)がすべての原子の中に存在することを明らかにした。ラザフォード(E.Rutherford、1871〜1937)は原子の中に正(+)の電荷を持つ成分として、大きさが10兆分の1cm程度の、原子の大きさより5桁も小さい重い粒子(原子核)の存在を明らかにした。原子核は正の電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子からできており、陽子と中性子の質量はほぼ等しく、電子の質量の1840倍あり、原子の質量の大部分を占めている。原子核の中にある陽子の数(Z)が原子の種類を決め、Zの値が原子番号となる。原子は全体として電気的に中性で、電子数は陽子数と等しく、原子番号により化学的性質がほぼ決まる。原子には、陽子の数Zが等しくて、中性子の数Nが異なる原子があり、それらを互いに同位体(アイソトープ)という。陽子の数(Z)と中性子の数(N)の和A(=Z+N)が質量数で、同位体を区別している。自然界で不変の安定同位体と一定の半減期を持ち、放射線を出して崩壊する放射性同位体がある。質量数12の炭素原子が約6.02×10^23個(アボガドロ定数と呼び、物質量1モルという)集まると質量12gになる。元素の周期表に書かれている原子量は、質量数12の炭素の原子量を正確に12と決め、各元素の安定同位体の存在比をかけて加重平均を取り、相対的な質量として示してある。物質の組成として、1種類の原子しか含まれない場合を単体といい、同種の原子からできた単体で構造も性質も異なるものを同素体と呼ぶ。酸素分子とオゾンがその例。一方、2種類以上の原子からできている分子を化合物という。単体や化合物が、それぞれ、目に見えるくらい多量に集まった集合体は純物質で、2種類以上の純物質の集まりを混合物という。
(市村禎二郎 東京工業大学教授 ／ 2007年)

１ 物質の基本的構成単位で、化学元素としての特性を失わない、最小の微粒子。原子核とそれを取り巻く1個または複数個の電子からなり、大きさは約1億分の1センチ。
２ 「原子核」「原子力」「原子爆弾」などをさす語。

物質の基本的な構成要素。もともとはこれ以上分割できない恒常不変な最小のものと考えられていたが，20世紀初期に原子核と電子とから構成されていることが明らかにされた。また，原子内の状態もいろいろに変わりうることがわかり，その後，さらに原子核が陽子と中性子とから構成されていることも明らかとなった。高速の原子核をもう一つの原子核に衝突させると，それらの原子核が壊れて他種の原子核に変わることもある。このように，今日では原子は厳密な意味では究極的な粒子とはいえない。

通常の化学的な方法ではそれ以上分割できない物質の基本的な構成単位粒子。電気的には中性である。原子の語源はギリシア語で「分割できない」という意味のアトモス（ατομοζ）であるといわれる。実際には、原子は正の電荷をもつ一つの原子核と、その正電荷を打ち消すだけの数の電子から構成され、さらに原子核はいくつかの陽子と中性子からなる。中性子は電荷をもたないために原子核の電荷は陽子によるものである。そのため原子は、これ以上分割できない粒子ではすでにない。しかし、原子をそれ以上に分割すると化学的な性質を失うので、化学的性質を維持するという点では最小の構成粒子である。自然界の物質を構成するもっとも基本的な構成要素は素粒子とよばれ、それはまさにそれ以上に分割できないものと考えてよい。原子の大きさ（直径）はおよそ10^-10メートル（1Å。Åはオングストローム）であるが、原子核の大きさは10^-14メートル程度と非常に小さい。つまり、原子核を直径約7センチメートルの野球ボールとすれば、原子は約700メートルにあたり、野球場全体が優に入るほどの大きさとなる。一方、原子核の質量は電子の質量に比べて非常に大きい。たとえば、水素原子の原子核は陽子1個だけからなり、その質量は約1.67×10^-27キログラムであるが、電子の質量はその1836分の1にすぎない。［酒井康弘］

原子と元素

原子に似たことばに元素があるが、元素は概念であり、同じ化学的性質をもつ原子の総称である。原子の化学的性質は、ほとんどその原子の電子数すなわち陽子の数により定まるので、化学で用いられる周期表は、陽子の数（すなわち電子の数）を示す原子番号によって整理されている。同じ原子番号をもつ原子でも中性子の数が異なるものが存在し、それらはアイソトープ（同位体）とよばれる。これらの総称が元素ということになる。たとえば、元素としての水素には中性子の数が0、1、2個のものが自然界に存在し、それぞれ水素（軽水素、プロチウムともいわれる）、重水素（ジュウテリウム）、三重水素（トリチウム）とよばれるが、それぞれの化学的性質は同じである。
　自然界には、原子番号1番の水素Hから92番のウランUまでの92種の元素が存在するといわれている。ただし、テクネチウムTc（43番）、プロメチウムPm（61番）、アスタチンAt（85番）、フランシウムFr（87番）の4種は、自然界の存在量がきわめて少ない。原子核反応により人工的につくられる元素（超ウラン元素）としては、2016年末の時点で原子番号118までが合成され、それらの名前と記号が国際純正・応用化学連合（IUPAC：International Union of Pure and Applied Chemistry）によって正式に認められている。
　このうち113番元素は、日本の理化学研究所（理研）仁科(にしな)加速器研究センター超重元素研究グループの森田浩介（1957―　）らの実験グループにより、2004年（平成16）に初めて合成され発見されたものである。その後2012年に3個目の合成に成功したことを受けて、2015年12月にそれが新元素であると認定され、命名権を獲得した。2016年11月末に提案通りの元素名ニホニウムnihonium、元素記号Nhが正式に認められた。これまでに、欧米以外の国で元素を発見したグループはなく、日本発の新元素の正式な認定と命名はアジア初である。化学史をひもとくと、今回の新元素発見のはるか昔、1908年（明治41）に東北大学の小川正孝(まさたか)（1865―1930）が原子番号43番の元素を発見したと発表し、ニッポニウムnipponiumと名づけたことがある。しかし、のちにこの発見は取り消され、元素記号として使う予定であった「Np」もネプツニウム（93番）に使われた。また、43番元素は1936年にアメリカの物理学者セグレにより発見され、1947年にテクネチウムと命名された。現在、小川の発見した元素はレニウムRe（75番）であったと考えられている。当時レニウムは未発見の元素であり、小川はその幻の発見者であったといえる。実は、「Np」の記号が与えられたネプツニウムも1940年に理研の仁科芳雄(よしお)により、間接的にではあるがみいだされており（単離できなかったことで発見が認められなかった）、仁科の名前を冠した理研の実験チームによってニホニウムが発見されたことは、奇妙な縁といえよう。［酒井康弘］

質量数と原子量

陽子の数と中性子の数の和は質量数とよばれる。したがって前述のアイソトープ（同位体）は、同じ原子番号でも質量数の異なるものともいえる。同じ質量数で原子番号の異なるものはアイソバー（同重体）とよばれる。質量数は、それを示す必要があるときには¹Hのように添え字で表され、原子番号も併記するときにはのように書かれる。質量数は、統一原子質量単位で表した原子の質量と近似的に等しい。統一原子質量単位は、質量数が12である炭素同位体¹²Cの原子質量の12分の1と定義され、単位はユニット（u）である。周期表中の各元素に原子番号とともに書かれている原子量は、元素の平均的な質量を表す指標である。天然に存在する元素は質量数の異なる数種の同位体の混合物であることから、原子量はその同位体の質量数と存在比をかけて和をとった数として表したものであり、かならずしも整数値とはならない。また、原子量に単位はない。たとえば、天然に存在する炭素には質量数12のものと13および14のものがある。それぞれの同位体存在比は、¹²C（98.9％）、¹³C（1.1％）、¹⁴C（0.0％）であるので、炭素の原子量は、
　　12×0.989＋13×0.011＋14×0.000＝12.011
となる。［酒井康弘］

原子の構造

原子内の電子は原子核の周りを飛び回っているとしてよい。負の電荷をもつ電子が、正の電荷をもつ原子核の周りを両者の間に働く静電的な引力によって軌道運動を行うことは、太陽系における惑星の運動をイメージさせるが、電子が荷電粒子であるという点が異なる。太陽と惑星の場合、両者は互いの引力によって引き合うが、それはつまり太陽の方向に加速度をもつということに対応する。そのままでは惑星は太陽に引き込まれてしまうが、惑星は太陽の周りを回転することで生じた遠心力によって軌道半径を維持できる。原子核の周りを電子が回転するということは、同様の現象のように思える。しかし、イギリスの物理学者マクスウェルの電磁気学によると、加速度運動する荷電粒子は、電磁波を放射し刻々と運動エネルギーを失っていくので、原子核の方向に引き寄せられることになり、軌道半径が縮まっていく。その結果きわめて短い時間（およそ10^-11秒）で原子がつぶれてしまうことになる。もちろん、そのような事実はなく、ある一定の大きさで原子は安定に存在するので、古典物理学の理論ではこの矛盾を説明できない。
　また、惑星の運動と異なり原子内の電子はどんな軌道でも許されているというわけではなく、原子の種類によって決まるとびとびの運動状態（離散的定常状態）しかとりえないことが知られている。これを量子化といい、原子内の電子が量子化されて離散的定常状態をとっていることを原子の電子構造または電子状態とよぶ。また、そのエネルギーはエネルギー準位とよばれる。なぜ、原子内の電子のエネルギーが量子化されているのかもまた古典物理学では説明できず、原子のような小さな世界を記述するには量子力学が必要である。［酒井康弘］

量子力学の骨組み

20世紀初頭ラザフォードにより原子核の存在が確証され原子モデルが提唱されてまもなく、ボーアは、原子内の電子軌道として特定の角運動量をもつものだけが許されるという量子条件を仮定することにより、古典力学とエネルギー量子の考えを折衷した理論（古典量子論）を提唱し、原子スペクトルに関する多くの現象を説明するのに成功した。しかしながら、微視的世界の力学を統一的に理解するためには、アインシュタインとド・ブローイによる物質波の概念やボルンによる波動関数の解釈などを経て、1925年ハイゼンベルクとシュレーディンガーによりそれぞれ独立に建設された量子力学の出現を待たなければならなかった。
　光は電磁波の一種であるが、光電効果の場合のように物質と相互作用する際、量子的なふるまいをする。また電子のような微視的粒子は、電子線回折にみられるように波動性をあわせもっている。このように、微視的物質はすべて粒子と波動の二重性をもつことが20世紀になって知られるようになった。量子力学では古典力学とは対照的に、原子内の電子の状態は波動関数（状態関数）をもって表され、エネルギーや運動量などの力学的量は波動関数に作用する演算子で表される。これらの量の間の関係は基礎方程式であるシュレーディンガーの波動方程式により表される。エネルギーその他の物理量のとりうる値は、波動方程式に適当な境界条件を課したときに、方程式の固有値として求められる。個々のエネルギー固有値に対応する波動関数の解は固有関数とよばれる。空間の各点で電子がみいだされる確率は波動関数の2乗で与えられる。
　このように、電子がある時刻にどの場所にいるかということは量子力学では一意的に定まらず、確率が定まるだけである。したがって原子内の電子の運動状態を表すのに古典力学のように決まった軌道を考えるのは間違いで、状態関数の2乗で表した電子雲のような描像を描くのが適切である。その雲の濃淡が、その場所に電子がみいだされる確率の大きさを示すのである。量子力学によれば、原子がとりうる定常状態のエネルギーの値や、原子が光を吸収したり放射したりしてエネルギー準位の間でおこす遷移のおこりやすさなどを一貫した理論体系のなかで正確に計算することができる。［鈴木　洋］

原子の電子殻構造

原子内の電子の定常状態を指定するのに普通4個の量子数の組を使う。主量子数nによりエネルギーのだいたいの大きさが定まる。エネルギーがもっとも低い（束縛エネルギーが大きい）ほうから高いほうへn＝1, 2, 3,……の順になっている。方位量子数lは電子の角運動量の大きさを表し、普通l＝0, 1, 2, 3,……に対応して固有状態をs, p, d, fの記号で表す。一つの角運動量をもつ状態はさらに磁気量子数m_l（角運動量のz成分を表す量子数）で区別される。決まったlの状態に対して許されるm_lの値は
　－l,－l＋1,……, 0,……, l－1, l
の2l＋1個である。すなわち、磁場をかけるとこれだけの数の状態に分離する。最後にスピン量子数m_sは＋1/2か－1/2をとる。
　原子内電子は、基底状態ではエネルギーの低い内側の状態から順に席を占める。ただし、パウリの排他律とよばれる法則があって、一つの量子状態を1個以上の電子が占めることはできない。このため原子内の電子は、その数が増えるにしたがってエネルギーの低い内側の軌道から順に詰められていく。各軌道の収容能力は、1sに2個（スピン＋1/2と－1/2）、2sに2個、2pに6個（l＝1の軌道は磁気量子数の違いにより3個の準位に分かれる）、3sに2個、3pに6個、3dに10個（l＝2の軌道は磁気量子数の違いにより5個の準位に分かれる）というように定まっている。主量子数の等しい状態はエネルギーについてひとまとめとして扱えるので、同一の電子殻に分類される。nが1、2、3、4、5の殻をそれぞれK、L、M、N、O殻とよぶ。各殻に含まれる状態数は、K殻に2個、L殻に8個、M殻に18個となる。［鈴木　洋］

原子の電子殻構造と化学的性質

以上のような殻構造を念頭に置くと、元素の種々の化学的性質が周期律に従って変化することが、よく理解できる。希ガス元素ヘリウムHe、ネオンNe、アルゴンArなどでは、それぞれK殻、L殻およびMの副殻（3p軌道まで）に電子がちょうどいっぱいに詰まっており、そのため化学的にもっとも不活性である。アルカリ金属リチウムLi、ナトリウムNa、カリウムKなどでは閉殻の外の殻に1個だけs電子があるので、イオン化エネルギー（電子を1個取り去るのに必要なエネルギー）がとりわけ小さく、他の原子に電子を与えて正イオンになりやすい性質をもっている。一方、ハロゲン族フッ素F、塩素Cl、臭素Brなどでは、希ガス原子のように閉殻をつくるには電子が1個足りないので、電子をもらって1価の負イオンになりやすい性質をもつ。
　普通、ある元素の原子1個が特定の原子（水素原子を標準にとり1とする）何個と結合するかを示す数を原子価とよび、原子間に結合が形成される機構を考える基本となるが、原子価は、原子の最外殻にあって化学反応に参加する電子（価電子）の数によって決まる。［鈴木　洋］

原子内電子の束縛エネルギー

ウランやプルトニウムを使った原子炉から取り出されるエネルギーを一般に原子エネルギーとよぶ習慣があるが、これは誤解を伴いやすい。原子炉のエネルギーは原子核分裂により発生するものであり、原子核エネルギーとよぶのが正しい。原子のエネルギーはむしろ化学反応のエネルギーに近い。
　原子のいちばん外側にある電子を原子の外に取り去るのに要するエネルギーは最小イオン化エネルギーとよばれる。いちばん大きな値をもつものはヘリウムで24.58電子ボルト、いちばん小さい値はセシウムの3.9電子ボルトである。ここで電子ボルトは、素電荷をもつ粒子が1ボルトの電位差で加速されるとき獲得するエネルギーで、約1.6×10^-19ジュールに相当する。
　原子内電子のうちいちばん大きなエネルギーで束縛されているのは最内殻（K殻）の電子である。天然元素ではウランのK殻電子のエネルギーが最大で、この値は約11万6000電子ボルトである。このような内殻準位のエネルギーに関する知識は、元素の特性X線やX線光電子スペクトルの測定から得られる。［鈴木　洋］
『『量子力学的世界像』（『朝永振一郎著作集8』1982・みすず書房）　▽エミリオ・セグレ著、久保亮五・矢崎裕二訳『X線からクォークまで――20世紀の物理学者たち』（1982・みすず書房）　▽G・ヘルツベルク著、堀健夫訳『原子スペクトルと原子構造』（1988・丸善）　▽長島順清著『素粒子物理学の基礎1』（1998・朝倉書店）　▽荒船次郎・江沢洋・中村孔一・米沢富美子編、高柳和夫著『原子分子物理学』（2000・朝倉書店）　▽高田健次郎著『わかりやすい量子力学入門――原子の世界の謎を解く』（2003・丸善）　▽吉原賢二「小川正孝のニッポニウム研究について」（『化学と工業』Vol.66, No.7, pp.538～540・2013・日本化学会）　▽ジャン・ペラン著、玉虫文一訳『原子』（岩波文庫）』

物質を形づくっている最小単位．原子核とその電荷と同数の電子との組合せでできている．原子核の電荷数が1である水素原子Hからはじまり，電荷数111のレントゲニウムRgまで知られている．これらの原子の種々の結合により分子ができている．J. Dalton(ドルトン)が原子論を唱えたときは，物質の性質をもつ最小単位を原子とよんだが，その後，定比例の法則，倍数比例の法則などの発見によって，Daltonのいう原子は分子であり，分子はいくつかの原子の結合によってできているとするほうがよいことが明らかになった．現在では，原子核を構成しているのは陽子と中性子であることが知られているが，原子核の電荷数は陽子の個数に等しく，中性子の数には自由度がある．原子の化学的性質は，おもに原子核のまわりの電子数によって決まるので，陽子数が同じで中性子数が違う原子は，化学的性質はほとんど同じであり，同位体とよばれる．原子核中の中性子数は，陽子の数に対し，ある限られた数のときに安定なので，その関係からはずれるような原子核は自然に崩壊する．このような同位体は放射性同位体とよばれる．希ガスのように原子が1個で安定な単原子分子となるものもいくつかあるが，一般には原子が単独のときは反応性が高く，ほかの原子と結合して分子となってはじめて安定であるもののほうが多い．原子をつくり出すには，放電や短波長の光照射などがよく用いられる．金属などでは真空中で高温に熱するだけで原子が飛び出してくるものも多い．