原子

原子
ヘリウム原子の図。核（ピンク）と電子雲の分布（黒）を描いています。ヘリウム4の核（右上）は実際には球対称で、電子雲によく似ていますが、より複雑な核では必ずしもそうではありません。黒いバーは1オングストローム（10 −10  mまたは午後100時 ）。
分類
化学元素の最小区分
プロパティ
質量範囲	1.67 × 10 −27から4.52 × 10 −25  kg
電荷	ゼロ（中性）、またはイオン電荷
直径範囲	62 pm ( He ) から 520 pm ( Cs ) (データ ページ)
コンポーネント	電子と陽子と中性子のコンパクトな原子核

原子は化学元素の基本的な粒子です。原子は陽子と通常は中性子の原子核で構成され、その周囲を電磁的に結合した電子の群れが取り囲んでいます。化学元素は原子に含まれる陽子の数によって区別されます。たとえば、陽子が 11 個ある原子はナトリウムで、陽子が 29 個ある原子は銅です。陽子の数は同じだが中性子の数が異なる原子は、同じ元素の同位体と呼ばれます。

原子は非常に小さく、通常、直径は約 100 ピコメートルです。人間の髪の毛は、炭素原子約 100 万個分の幅です。原子は可視光の最短波長よりも小さいため、従来の顕微鏡では原子を見ることができません。原子は非常に小さいため、量子効果により、古典物理学を使用してその動作を正確に予測することは不可能です。

原子の質量の 99.94% 以上は原子核にあります。陽子は正電荷を持ち、中性子は電荷を持たないため、原子核は正電荷を帯びています。電子は負電荷を帯びており、この反対電荷が電子を原子核に結び付けています。陽子と電子の数が通常どおり等しい場合、原子は全体として電気的に中性です。原子が陽子よりも電子を多く持つ場合、原子全体が負電荷を持ち、負イオン(またはアニオン) と呼ばれます。逆に、陽子が電子よりも多い場合、原子は正電荷を持ち、正イオン (またはカチオン) と呼ばれます。

原子の電子は、電磁力によって原子核内の陽子に引きつけられます。原子核内の陽子と中性子は、核力によって互いに引きつけられます。この力は通常、正に帯電した陽子を互いに反発させる電磁力よりも強力です。特定の状況下では、反発する電磁力が核力よりも強くなります。この場合、原子核は分裂してさまざまな元素が残ります。これは原子核崩壊の一種です。

原子は化学結合によって 1 つ以上の他の原子と結合し、分子や結晶などの化合物を形成します。原子が互いに結合したり分離したりする能力は、自然界で観察される物理的変化のほとんどに関係しています。化学は、これらの変化を研究する科学です。

物質は小さな分割不可能な粒子で構成されているという基本的な考え方は、多くの古代文化に現れた古い考え方です。原子という言葉は、古代ギリシャ語の「切り取れない」を意味する「atomos 」 ^[a]に由来しています。しかし、この古代の考え方は、科学的推論ではなく哲学的推論に基づいていました。現代の原子理論は、これらの古い概念に基づいていません。^{[1] [2]} 19世紀初頭、科学者ジョン・ドルトン (1766–1844) は、物質が実際には個別の単位で構成されているという証拠を発見し、それらの単位に原子という言葉を適用しました。^[3]

1800 年代初頭、ジョン・ドルトンは彼と他の科学者が収集した実験データをまとめ、現在「倍数比例の法則」として知られるパターンを発見しました。彼は、特定の 2 つの化学元素を含む化合物のグループでは、元素 B の計量あたりの元素 A の量が、これらの化合物間で小さな整数の比率で異なることに気付きました。このパターンは、各元素が他の元素と基本重量単位の倍数で結合し、各元素が独自の重量単位を持っていることを示唆しています。ドルトンはこれらの単位を「原子」と呼ぶことにしました。^[4]

例えば、スズ酸化物には2種類あります。1つは灰色の粉末で、スズが88.1%、酸素が11.9%です。もう1つは白色の粉末で、スズが78.7%、酸素が21.3%です。これらの数値を調整すると、灰色の粉末にはスズ100gに対して約13.5gの酸素が含まれ、白色の粉末にはスズ100gに対して約27gの酸素が含まれます。13.5と27は1:2の比率になります。ダルトンは、灰色の酸化物にはスズ1原子に対して酸素原子が1つあり、白色の酸化物にはスズ1原子に対して酸素原子が2つあると結論付けました（SnOとSnO ₂）。^{[5] [6]}

ダルトンは鉄酸化物も分析した。鉄酸化物には、鉄 78.1%、酸素 21.9% の黒色粉末と、鉄 70.4%、酸素 29.6% の赤色粉末がある。これらの数値を調整すると、黒色粉末には鉄 100 g あたり約 28 g の酸素が含まれ、赤色粉末には鉄 100 g あたり約 42 g の酸素が含まれる。28 と 42 は 2:3 の比率を形成する。ダルトンは、これらの酸化物では、鉄原子 2 個あたりにそれぞれ酸素原子 2 個または 3 個 ( Fe ₂ O ₂およびFe ₂ O ₃ ) が含まれていると結論付けた。^{[b] [7] [8]}

最後の例として、亜酸化窒素は窒素 63.3%、酸素 36.7%、一酸化窒素は窒素 44.05%、酸素 55.95%、二酸化窒素は窒素 29.5%、酸素 70.5% です。これらの数字を調整すると、亜酸化窒素には窒素 140 g に対して酸素 80 g、一酸化窒素には窒素 140 g に対して酸素約 160 g、二酸化窒素には窒素 140 g に対して酸素 320 g が含まれます。80、160、320 の比率は 1:2:4 です。これらの酸化物のそれぞれの式はN ₂ O、NO、NO ₂です。^{[9] [10]}

1897年、JJトムソンは陰極線は光ではなく、電場や磁場によって偏向されるため、負に帯電した粒子でできていることを発見した。 ^{[11]彼はこれらの粒子が}水素（最も軽い原子）より少なくとも1000倍軽いことを測定しました。 ^[12]彼はこれらの新しい粒子を微粒子と呼びましたが、後にこれらは電気を運ぶ粒子であるため電子と改名されました。 ^{[13]トムソンはまた、電子が}光電性物質や放射性物質から放出される粒子と同一であることを示しました。 ^[14]トムソンは、電流とは電子が1つの原子から次の原子へと渡ることであり、電流がない場合、電子は原子に埋め込まれると説明しました。これは、科学者が考えていたように原子が分割不可能ではないことを意味しました。原子は電子で構成されており、その負の電荷は何らかの正の電荷源によってバランスが取られ、電気的に中性の原子が作​​られます。イオンは、電子が過剰または不足している原子でなければならないとトムソンは説明しました。^[15]

原子内の電子は論理的に同量の正電荷によってバランスが取られているはずだが、トムソンはこの正電荷がどこから来るのか見当もつかなかったため、球形をしている原子のいたるところに正電荷があるのではないかと暫定的に提案した。これに続いて、彼は静電気力のバランスによって電子が球体全体に多かれ少なかれ均等に分布するだろうと想像した。^{[16]トムソンのモデルは}プラムプディングモデルとして広く知られているが、トムソンも彼の同僚もこのアナロジーを使用していなかった。^{[17]トムソンのモデルは不完全で、}発光スペクトルや原子価など、元素の他の特性を予測することはできなかった。このモデルは原子核の発見によってすぐに時代遅れになった。

1908年から1913年にかけて、アーネスト・ラザフォードと彼の同僚ハンス・ガイガー、アーネスト・マースデンは、一連の実験を行い、薄い金属箔にアルファ粒子のビームを照射した。彼らはアルファ粒子の散乱パターンを測定するためにこれを行った。彼らは、90°を超える角度で偏向する少数のアルファ粒子を発見した。トムソンの原子モデルによれば、電荷が拡散しすぎて十分に強い電場を生成できないため、これはあり得ないはずだった。偏向はすべて無視できるはずだった。ラザフォードは、原子の正電荷と原子の質量のほとんどが、原子の中心にある小さな原子核に集中していると提唱した。質量によって固定され、負電荷から分離された正電荷の強力な集中だけが、アルファ粒子をこれほど強く偏向させる電場を生成できたのである。^[18]

古典力学における問題は、加速する荷電粒子が電磁放射を放射し、粒子が運動エネルギーを失うことである。円運動は加速としてカウントされるため、中心電荷を周回する電子は速度を失うにつれて原子核に向かって螺旋状に落下するはずである。1913年、物理学者ニールス・ボーアは、原子の電子は原子核を周回するものの、軌道の有限セット内でのみ周回でき、これらの軌道間を移動できるのは光子の吸収または放射に対応する離散的なエネルギー変化の場合のみであるという新しいモデルを提唱した。^[19]この量子化は、電子の軌道が安定している理由と、元素が離散的なスペクトルで電磁放射を吸収および放射する理由を説明するために使用された。^[20]ボーアのモデルは水素の放出スペクトルしか予測できず、複数の電子を持つ原子は予測できなかった。

1815年、ウィリアム・プラウトは多くの元素の原子量が水素の原子量の倍数であることを観察したが、これは同位体を考慮するとすべての元素に当てはまる。1898年、JJトムソンは水素イオンの正電荷が電子の負電荷に等しいことを発見した。^[21] 1913年、ヘンリー・モーズリーは励起原子からのX線放射の周波数が原子番号と水素の原子核電荷の数学的関数であることを発見した。1917年、ラザフォードは窒素ガスにアルファ粒子を照射し、ガスから放出される水素イオンを検出し、アルファ粒子が窒素原子に衝突して分裂することで水素イオンが生成されたと結論付けた。^[22]

これらの観察から、ラザフォードは水素原子核は電子の負電荷に等しい正電荷を持つ特異粒子であると結論付けました。^[23]彼は1920年にこの粒子を「陽子」と名付けました。 ^[24]元素の原子番号は、周期表上の元素の位置として定義され、その原子核に含まれる陽子の数でもあります。各元素の原子量は陽子数よりも大きいため、ラザフォードは余分な重量は電荷を持たず陽子と等しい質量を持つ未知の粒子によって運ばれていると仮説を立てました。

1928 年、ウォルター・ボーテは、ベリリウムがアルファ粒子で衝撃を受けると、非常に透過性が高く電気的に中性の放射線を放出することを観察しました。後に、この放射線はパラフィンワックスから水素原子を叩き出すことができることが発見されました。当初、ガンマ線は金属の電子に同様の効果をもたらすため、高エネルギーガンマ線であると考えられていましたが、ジェームズ・チャドウィックは、相互作用においてエネルギーと運動量が保存される限り、イオン化効果が強すぎるため、電磁放射線によるものではないことを発見しました。1932 年、チャドウィックは水素や窒素などのさまざまな元素を謎の「ベリリウム放射線」にさらし、反跳する荷電粒子のエネルギーを測定することで、この放射線は実際には電気的に中性の粒子で構成されており、ガンマ線のように質量がゼロではなく、陽子と同程度の質量が必要であると推測しました。チャドウィックは、これらの粒子がラザフォードの中性子であると主張しました。^[25]

1925年、ヴェルナー・ハイゼンベルクは、量子力学（行列力学）の最初の一貫した数学的定式化を発表しました。^[26]その1年前、ルイ・ド・ブロイは、すべての粒子はある程度波のように振舞うと提案し、^[27] 1926年にエルヴィン・シュレーディンガーはこのアイデアを使用して、電子を空間内の点ではなく3次元の波形として記述するシュレーディンガー方程式を開発しました。 ^[28]波形を使用して粒子を記述することの結果として、特定の時点での粒子の位置と運動量の両方の正確な値を取得することは数学的に不可能になります。これは、ヴェルナー・ハイゼンベルクが1927年に定式化した不確定性原理として知られるようになりました。 ^[26]この概念では、位置を測定する際の所定の精度に対して、運動量の可能性のある値の範囲しか取得できず、その逆も同様です。^[29]こうして原子の惑星モデルは廃止され、代わりに原子核の周りの原子軌道領域を記述したモデルが採用され、その領域には特定の電子が存在する可能性が最も高い。^{[30] [31]このモデルは、水素よりも大きな原子の特定の構造や}スペクトルパターンなど、以前のモデルでは説明できなかった原子の挙動の観察を説明することができた。

原子という言葉は、もともとはより小さな粒子に分割できない粒子を意味していましたが、現代の科学用語では、原子はさまざまな亜原子粒子で構成されています。原子を構成する粒子は、電子、陽子、中性子です。

電子はこれらの粒子の中で4桁も質量が小さく、9.11 × 10 ⁻³¹  kgで、負の電荷を持ち、その大きさは現在の技術では測定できないほど小さい。^[32]ニュートリノ質量が発見されるまでは、正の静止質量を持つ最も軽い粒子であった。通常の条件下では、電子は反対の電荷から生じる引力によって正に帯電した原子核に結合している。原子が原子番号よりも電子が多いか少ない場合、原子は全体としてそれぞれ負または正に帯電する。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おり、主にJJ トムソンによるものである。詳細については、 素粒子物理学の歴史を参照のこと。

陽子は正電荷を持ち、質量は1.6726 × 10 ⁻²⁷  kg。原子内の陽子の数は原子番号と呼ばれます。アーネスト・ラザフォード(1919) は、アルファ粒子の衝撃を受けた窒素が水素原子核と思われるものを放出することを観察しました。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ことを認め、それを陽子と名付けました。

中性子は電荷を持たず、質量は1.6749 × 10 ⁻²⁷  kg。^{[33] [34]中性子は3つの構成粒子の中で最も重いが、その質量は}核結合エネルギーによって減少する。中性子と陽子（総称して核子と呼ばれる）は、ほぼ同等の大きさを持ち、2.5 × 10 ⁻¹⁵  mですが、これらの粒子の「表面」は明確に定義されていません。^[35]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ました。

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基本粒子ですが、陽子と中性子はクォークと呼ばれる基本粒子で構成された複合粒子です。原子には2種類のクォークがあり、それぞれに分数電荷があります。陽子は2つのアップクォーク（それぞれ電荷 + ⁠）で構成されています。2/3⁠）と1つのダウンクォーク（電荷は− ⁠1/3⁠）。中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークで構成されています。この区別により、2つの粒子の質量と電荷に差が生じます。^{[36] [37]}

クォークは、グルーオンを介した強い相互作用（または強い力）によって結合している。一方、陽子と中性子は、核力によって原子核内で互いに結合している。核力は、強い力の残余物であり、範囲特性が多少異なる（詳細については、核力の記事を参照）。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ボソンのファミリーのメンバーである。 ^{[36] [37]}

原子内の結合した陽子と中性子はすべて小さな原子核を構成し、まとめて核子と呼ばれます。原子核の半径はフェムトメートルにほぼ等しく、 は核子の総数です。^{[38]これは、10 5} fmのオーダーである原子の半径よりもはるかに小さいです。核子は、残留強い力 と呼ばれる短距離の引力によって結合しています。2.5 fm 未満の距離では、この力は、正に帯電した陽子同士を反発させる静電気力よりもはるかに強力です。 ^[39]${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$ ${\displaystyle A}$

同じ元素の原子は、同じ数の陽子を持ち、これを原子番号と呼びます。単一の元素内では、中性子の数が異なり、その元素の同位体を決定します。陽子と中性子の総数によって核種が決定されます。陽子に対する中性子の数は原子核の安定性を決定し、特定の同位体は放射性崩壊を起こします。^[40]

陽子、電子、中性子はフェルミオンに分類されます。フェルミオンはパウリの排他原理に従い、複数の陽子などの同一のフェルミオンが同時に同じ量子状態をとることを禁じます。したがって、原子核内のすべての陽子は他のすべての陽子とは異なる量子状態をとる必要があり、同じことが原子核のすべての中性子と電子雲のすべての電子にも当てはまります。^[41]

陽子と中性子の数が異なる原子核は、放射性崩壊によって陽子と中性子の数をより近づけることで、より低いエネルギー状態に落ちる可能性があります。その結果、陽子と中性子の数が一致する原子は崩壊に対してより安定しますが、原子番号が増加すると、陽子の相互反発により、原子核の安定性を維持するために中性子の割合を増やす必要があります。^[41]

原子核内の陽子と中性子の数は変更できますが、強い力があるため、非常に高いエネルギーが必要になる場合があります。核融合は、 2つの原子核の高エネルギー衝突などにより、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発生します。たとえば、太陽の中心核では、陽子は相互反発（クーロン障壁）を克服して1つの原子核に融合するために3〜10 keVのエネルギーを必要とします。^[42] 核分裂は反対のプロセスで、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します。原子核は、高エネルギーの亜原子粒子または光子による衝撃によっても変更できます。これにより原子核内の陽子の数が変更されると、原子は別の化学元素に変わります。^{[43] [44]}

核融合反応後の原子核の質量が個々の粒子の質量の合計よりも小さい場合、これら2つの値の差は、アルバート・アインシュタインの質量エネルギー等価式e = mc ²で説明されているように、利用可能なエネルギー（ガンマ線やベータ粒子の運動エネルギーなど）として放出される可能性があります。ここで、mは質量損失、cは光速です。この不足は新しい原子核の結合エネルギーの一部であり、エネルギーの回復不可能な損失であるため、融合した粒子は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残ります。^[45]

2つの原子核が融合して鉄やニッケルよりも原子番号の小さい大きな原子核（核子の総数は約60）が作られるが、これは通常、それらを結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発熱反応である。 ^[46]このエネルギー放出プロセスにより、恒星の核融合は自立した反応となる。より重い原子核では、核子あたりの結合エネルギーが減少し始める。つまり、原子番号が約26より大きく、質量数が約60より大きい原子核を生成する融合プロセスは吸熱反応である。したがって、より質量の大きい原子核は、恒星の静水圧平衡を維持できるエネルギーを生成する融合反応を起こすことができない。 ^[41]

原子内の電子は、電磁力によって原子核内の陽子に引きつけられます。この力は、小さな原子核を取り囲む静電 ポテンシャル井戸内の電子を束縛します。つまり、電子が脱出するには外部エネルギー源が必要です。電子が原子核に近いほど、引力は大きくなります。したがって、ポテンシャル井戸の中心近くに束縛された電子は、離れた電子よりも脱出するのに多くのエネルギーを必要とします。

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ます。電子雲は、各電子が一種の3次元定在波（原子核に対して移動しない波形）を形成するポテンシャル井戸内の領域です。この動作は、原子軌道によって定義されます。原子軌道は、電子の位置を測定したときに特定の場所にあるように見える確率を特徴付ける数学関数です。^[47]原子核の周りには、これらの軌道の離散的（または量子化された）セットのみが存在し、他の可能性のある波のパターンは急速により安定した形に崩壊します。^[48]軌道は、1つ以上のリングまたはノード構造を持つことができ、サイズ、形状、方向が互いに異なります。^[49]

各原子軌道は電子の特定のエネルギーレベルに対応しています。電子は、新しい量子状態にブーストするのに十分なエネルギーを持つ光子を吸収することで、その状態をより高いエネルギーレベルに変更できます。同様に、高エネルギー状態の電子は、自然放出を通じて、余分なエネルギーを光子として放射しながら、より低いエネルギー状態に低下することができます。量子状態のエネルギーの差によって定義されるこれらの特性エネルギー値は、原子スペクトル線の原因です。^[48]

電子を取り除いたり加えたりするために必要なエネルギー量（電子結合エネルギー）は、核子の結合エネルギーよりはるかに小さい。例えば、水素原子から基底状態の電子を剥がすのに必要なエネルギーはわずか13.6 eVであるのに対し 、 ^[50]重水素原子核を分裂させるには223万eVが必要である。^[51]原子は、陽子と電子の数が等しい場合、電気的に中性である。電子が不足または過剰である原子はイオンと呼​​ばれる。原子核から最も遠い電子は、近くの他の原子に移動するか、原子間で共有される。このメカニズムにより、原子は分子や、イオン結合や共有結合のネットワーク結晶などの他の種類の化合物に結合することができる。^[52]

定義により、原子核に同数の陽子を持つ任意の2つの原子は、同じ化学元素に属します。陽子の数は等しいが中性子の数が異なる原子は、同じ元素の異なる同位体です。たとえば、すべての水素原子は正確に1つの陽子を持ちますが、中性子を持たない同位体（最も一般的な形態である水素-1 、 ^{[53] は}プロチウムとも呼ばれます）、1つの中性子を持つ同位体（重水素）、2つの中性子を持つ同位体（トリチウム）、および2つ以上の中性子を持つ同位体も存在します。既知の元素は、陽子が1つの元素である水素から陽子が118の元素であるオガネソンまで、原子番号のセットを形成します。^{[54]原子番号が82より大きい元素の既知の同位体はすべて放射性ですが、元素83（}ビスマス）の放射能は非常にわずかで、実質的に無視できるほどです。^{[55] [56]}

地球上には339種の核種が自然に存在し、^[57]そのうち251種（約74%）は崩壊が観測されておらず、「安定同位体」と呼ばれています。理論的に安定しているのは90種の核種のみで、他の161種（合計251種）は理論的にはエネルギー的に可能であるにもかかわらず崩壊が観測されていません。これらも正式には「安定」に分類されています。さらに35種の放射性核種の半減期は1億年以上で、太陽系が誕生した頃から存在しているほど長寿命です。この286種の核種の集合は原始核種として知られています。最後に、さらに53の短寿命核種が、原始核種の崩壊の娘生成物（ウランからのラジウムなど）として、または宇宙線の衝撃（例えば炭素14）などの地球上の自然なエネルギー過程の生成物として、自然界に存在することが知られています。^{[58] [注 1]}

80 種の化学元素には、少なくとも 1 つの安定同位体が存在する。原則として、これらの元素にはそれぞれ少数の安定同位体しか存在せず、平均すると 1 元素あたり 3.1 個の安定同位体である。26 種の「モノアイソトピック元素」には 1 つの安定同位体しか存在しないが、観測される安定同位体の最大数はスズ元素の 10 個である。元素43、61、および83以上の番号が付けられたすべての元素には安定同位体がない。^{[59] : 1–12}

同位体の安定性は、陽子と中性子の比率、および閉じた満たされた量子殻を表す中性子または陽子の特定の「魔法数」の存在によっても影響を受けます。これらの量子殻は、原子核の殻モデル内の一連のエネルギーレベルに対応しています。満たされた殻、たとえばスズの 50 個の陽子で満たされた殻は、核種に異常な安定性を与えます。251 の既知の安定核種のうち、陽子と中性子の両方が奇数であるのは、水素 2 (重水素)、リチウム 6、ホウ素 10、窒素 14の 4 つだけです。 （タンタル180mは奇数-奇数で観測的に安定しているが、非常に長い半減期で崩壊すると予測されている。）また、自然に存在する放射性奇数-奇核種のうち、半減期が10億年を超えるのは、カリウム40、バナジウム50、ランタン138、ルテチウム176の4つだけである。ほとんどの奇数-奇核はベータ崩壊に対して非常に不安定である。これは、崩壊生成物が偶数-偶数であり、したがって核ペアリング効果によりより強く結合するためである。^[60]

原子の質量の大部分は、それを構成する陽子と中性子から生じます。特定の原子に含まれるこれらの粒子 (「核子」と呼ばれる) の総数は、質量数と呼ばれます。質量数は、数を表すため、正の整数で無次元です (質量の次元を持つのではなく)。質量数の使用例としては、「炭素 12」が挙げられます。炭素 12 には、12 個の核子 (陽子 6 個と中性子 6 個) があります。

静止した原子の実際の質量は、ダルトン（Da）で表され、統一原子質量単位（u）とも呼ばれます。この単位は、炭素12の自由中性原子の質量の12分の1として定義され、およそ1.66 × 10 ⁻²⁷  kg。^[61] 水素1（最も軽い水素同位体であり、最も質量の小さい核種でもある）の原子量は1.007825 Daである。^[62]この数値は原子量と呼ばれる。与えられた原子の原子量は、その質量数と原子質量単位の積にほぼ等しい（1%以内）が（例えば窒素14の質量はおよそ14 Daである）、この数値は（定義により）炭素12の場合を除いて正確に整数にならない。^[63]最も重い安定原子は鉛208で、^[55]質量は207.976 6521 日. ^[64]

最も重い原子でさえも直接扱うには軽すぎるため、化学者は代わりにモルという単位を使用します。どの元素の原子1モルも常に同じ数の原子（約6.022 × 10 ²³）。この数字は、ある元素の原子量が1 uの場合、その元素の原子1モルの質量が1グラムに近くなるように選ばれました。統一原子質量単位の定義により、各炭素12原子の原子量は正確に12 Daであり、炭素12原子1モルの重さは正確に0.012 kgです。 ^[61]

原子には明確な外界がないため、その大きさは通常、原子半径で表されます。これは、電子雲が原子核から広がる距離の尺度です。^[65]これは、原子が球形を呈することを前提としていますが、これは真空または自由空間内の原子にのみ当てはまります。原子半径は、2つの原子が化学結合で結合しているときの2つの原子核間の距離から導き出すことができます。半径は、原子図上の原子の位置、化学結合の種類、隣接する原子の数（配位数）、およびスピンと呼ばれる量子力学的特性によって異なります。^[66]元素周期表では、原子のサイズは列を下に移動すると大きくなり、行を横切る（左から右へ）と小さくなる傾向があります。^{[67]その結果、最小の原子は半径32} pmのヘリウムで 、最大の原子の1つは半径225 pmのセシウムです。 ^[68]

原子は電場などの外力を受けると、球対称から外れることがあります。変形は、群論的考察で示されているように、電場の大きさと外殻電子の軌道の種類に依存します。非球面偏差は、例えば結晶で引き起こされる可能性があり、低対称性の格子サイトで大きな結晶電場が発生する可能性があります。 ^{[69] [70]}黄鉄鉱型化合物では、硫黄イオン^[71]とカルコゲンイオン^[72]で顕著な楕円体変形が発生することが示されている。

原子の大きさは光の波長（400～700  nm ）の数千分の1であるため、光学顕微鏡では見ることができませんが、走査型トンネル顕微鏡を使用すれば個々の原子を観察することができます。原子の小ささを視覚化するには、典型的な人間の髪の毛の幅が約100万個の炭素原子であることを考えてみてください。^[73]一滴の水には約2兆 6千億（2 × 10 ²¹）個の酸素原子と、その2倍の水素原子を含む。^[74] 1カラットの ダイヤモンドの質量は2 × 10 ⁻⁴  kgには約10兆（10 ²²）個の炭素原子が含まれています。^{[注 2]}リンゴを地球の大きさに拡大すると、リンゴに含まれる原子は元のリンゴとほぼ同じ大きさになります。^[75]

すべての元素には、放射性崩壊を起こしやすい不安定な原子核を持つ1つ以上の同位体があり、原子核から粒子や電磁放射線が放出されます。放射能は、原子核の半径が強い力の半径に比べて大きい場合に発生します。強い力は1 fm程度の距離にしか作用しません。^[76]

放射性崩壊の最も一般的な形態は以下の通りである: ^{[77] [78]}

• アルファ崩壊：このプロセスは、原子核がアルファ粒子（2 つの陽子と 2 つの中性子からなるヘリウム原子核）を放出するときに発生します。放出の結果、原子番号の低い新しい元素が生成されます。
• ベータ崩壊（および電子捕獲）：これらのプロセスは弱い力によって制御され、中性子から陽子、または陽子から中性子への変化によって生じます。中性子から陽子への遷移は電子と反ニュートリノの放出を伴い、陽子から中性子への遷移（電子捕獲を除く）は陽電子とニュートリノの放出を引き起こします。放出された電子または陽電子はベータ粒子と呼ばれます。ベータ崩壊により、原子核の原子番号が 1 つ増加するか減少します。電子捕獲は陽電子放出よりも少ないエネルギーで済むため、より一般的です。このタイプの崩壊では、陽電子が原子核から放出されるのではなく、電子が原子核に吸収されます。このプロセスではニュートリノが放出され、陽子が中性子に変化します。
• ガンマ崩壊: このプロセスは、原子核のエネルギー レベルが低い状態へ変化することによって起こり、電磁放射線が放出されます。ガンマ放出をもたらす原子核の励起状態は、通常、アルファ粒子またはベータ粒子の放出に続いて発生します。したがって、ガンマ崩壊は通常、アルファ崩壊またはベータ崩壊に続いて起こります。

よりまれなタイプの放射性崩壊には、原子核からの中性子、陽子、または核子のクラスター、または複数のベータ粒子の放出が含まれます。ガンマ放出の類似物で、励起された原子核が異なる方法でエネルギーを失うことを可能にするのは、内部転換です。これは、ベータ線ではない高速電子を生成し、続いてガンマ線ではない高エネルギー光子を生成するプロセスです。いくつかの大きな原子核が爆発して、質量の異なる2つ以上の荷電粒子といくつかの中性子を生成します。この崩壊は自発的核分裂と呼ばれます。

放射性同位元素にはそれぞれ特徴的な崩壊時間、つまり半減期があり、これはサンプルの半分が崩壊するのに必要な時間によって決まります。これは指数関数的な崩壊プロセスであり、半減期ごとに残りの同位元素の割合が着実に 50% 減少します。したがって、2 回の半減期が経過すると、同位元素は 25% しか存在しなくなります。^[76]

素粒子はスピンと呼ばれる固有の量子力学的特性を持っている。これは、質量の中心の周りを回転している物体の角運動量に似ているが、厳密に言えばこれらの粒子は点状であると考えられており、回転しているとは言えない。スピンは、縮小プランク定数(ħ) の単位で測定され、電子、陽子、中性子はすべてスピン1 ⁄ 2  ħ、つまり「スピン1 ⁄ 2」を持っている。原子では、原子核の周りを運動している電子はスピンに加えて軌道角運動量を持ち、原子核自体は核スピンによる角運動量を持っている。^[79]

原子によって生成される磁場、つまり磁気モーメントは、回転する荷電物体が古典的に磁場を生成するのと同様に、さまざまな形の角運動量によって決まりますが、最も支配的な寄与は電子スピンです。電子はパウリの排他原理に従う性質があり、 2つの電子が同じ量子状態にあることはあり得ないため、束縛された電子は互いにペアになり、各ペアの一方はスピンアップ状態、もう一方は反対のスピンダウン状態になります。したがって、これらのスピンは互いに打ち消し合い、電子数が偶数である一部の原子では、磁気双極子モーメントの合計がゼロになります。^[80]

鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性元素では、電子の数が奇数の場合、不対電子と全体の正味磁気モーメントが生じる。隣接原子の軌道が重なり合い、不対電子のスピンが互いに整列すると、より低いエネルギー状態が実現される。これは交換相互作用と呼ばれる自発的なプロセスである。強磁性原子の磁気モーメントが整列すると、材料は測定可能なマクロな磁場を生成できる。常磁性材料では、磁場が存在しない場合には磁気モーメントがランダムな方向に整列する原子があるが、磁場が存在すると個々の原子の磁気モーメントが整列する。^{[80] [81]}

原子核は、中性子と陽子の数が両方とも偶数の場合、スピンを持たないが、それ以外の奇数の場合はスピンを持つことがある。通常、スピンを持つ核は熱平衡のためランダムな方向に並んでいるが、特定の元素（キセノン129など）では、核スピン状態のかなりの割合を分極させて同じ方向に揃えることが可能であり、この状態を過分極と呼ぶ。これは磁気共鳴画像診断において重要な用途がある。^{[82] [83]}

原子内の電子の位置エネルギーは、原子核からの距離が無限大になると負の値になる。電子の位置に対する依存性は、原子核内では距離にほぼ反比例して最小になる。量子力学モデルでは、束縛電子は原子核を中心とした一連の状態のみを占めることができ、各状態は特定のエネルギーレベルに対応する。理論的な説明については、時間に依存しないシュレーディンガー方程式を参照。エネルギーレベルは、電子を原子から切り離すために必要なエネルギー量で測定でき、通常は電子ボルト(eV) の単位で表す。束縛電子の最低エネルギー状態は基底状態、すなわち定常状態と呼ばれ、電子がより高いレベルに遷移すると励起状態になる。^[84]電子のエネルギーは、原子核への (平均) 距離が増加するため、nとともに増加する。エネルギーがℓに依存するのは、原子核の 静電ポテンシャルによるものではなく、電子間の相互作用によるものです。

電子が2 つの異なる状態(たとえば基底状態から最初の励起状態)間を遷移するには、それらのレベルの位置エネルギーの差に一致するエネルギーで光子を吸収または放出する必要があります。これは、シュレーディンガー方程式によって正確に計算できます。電子は、粒子のように軌道間を移動します。たとえば、単一の光子が電子に衝突した場合、単一の電子だけが光子に反応して状態を変更します。電子の特性を参照してください。

放出された光子のエネルギーはその周波数に比例するため、これらの特定のエネルギーレベルは電磁スペクトルの中で明確な帯として現れる。^[85]各元素は、原子核の電荷、電子が満たされたサブシェル、電子間の電磁相互作用、その他の要因によって決まる特徴的なスペクトルを持っている。^[86]

連続スペクトルのエネルギーがガスまたはプラズマを通過すると、光子の一部が原子に吸収され、電子のエネルギーレベルが変化する。原子に束縛されたままの励起電子は、このエネルギーを光子として自発的に放出し、ランダムな方向に移動し、低いエネルギーレベルに戻る。したがって、原子は、エネルギー出力に一連の暗い吸収帯を形成するフィルターのように動作する。（背景に連続スペクトルを含まない視点から原子を見る観察者は、代わりに原子から放出された光子からの一連の輝線を見る。）原子スペクトル線の強度と幅の分光測定により、物質の組成と物理的特性を決定することができる。^[87]

スペクトル線を詳しく調べると、微細構造の分裂を示すものがあることが分かる。これはスピン軌道相互作用によって起こる。スピン軌道相互作用とは、最外殻電子のスピンと運動との相互作用である。^[88]原子が外部磁場内にある場合、スペクトル線は3つ以上の成分に分裂する。この現象はゼーマン効果と呼ばれる。これは磁場と原子およびその電子の磁気モーメントとの相互作用によって引き起こされる。原子の中には、同じエネルギーレベルの複数の電子配置を持つものがあり、そのため1本のスペクトル線として現れる。磁場と原子との相互作用により、これらの電子配置はわずかに異なるエネルギーレベルにシフトし、結果として複数のスペクトル線が生じる。^[89]外部電場の存在は、電子のエネルギーレベルを変更することでスペクトル線の同様の分裂とシフトを引き起こす可能性があり、この現象はシュタルク効果と呼ばれる。^[90]

束縛された電子が励起状態にある場合、適切なエネルギーを持つ相互作用する光子は、一致するエネルギーレベルの光子の誘導放出を引き起こすことができる。これが起こるためには、電子は相互作用する光子のエネルギーと一致するエネルギー差を持つより低いエネルギー状態に落ちなければならない。放出された光子と相互作用する光子は、その後、一致する位相で平行に移動する。つまり、2つの光子の波パターンは同期している。この物理的特性は、狭い周波数帯域でコヒーレントな光エネルギービームを放出できるレーザーを作るのに使用されている。^[91]

原子価は、元素の結合力です。これは、他の原子または基と形成できる結合の数によって決まります。^[92]結合していない状態の原子の最外殻は価電子殻と呼ばれ、その殻内の電子は価電子と呼ばれます。価電子の数によって、他の原子との結合 挙動が決まります。原子は、外側の価電子殻を満たす（または空にする）方法で互いに化学反応する傾向があります。 ^[93]たとえば、原子間の単一電子の移動は、満たされた殻よりも電子が1つ多い原子と、完全な殻に電子が1つ足りない原子（塩化ナトリウム化合物やその他の化学イオン塩で発生するもの）の間で形成される結合の便利な近似値です。多くの元素は、複数の価数、つまり異なる化合物で異なる数の電子を共有する傾向があります。したがって、これらの元素間の化学結合は、単純な電子移動以上の多くの形式の電子共有をとっています。例としては炭素元素や有機化合物が挙げられる。^[94]

化学元素は、しばしば周期表に示され、これは繰り返される化学的性質を示すようにレイアウトされており、同じ価電子数を持つ元素は、表の同じ列に整列したグループを形成します。（水平の行は、電子の量子殻の充填に対応しています。）表の右端にある元素は、外殻が完全に電子で満たされており、その結果、希ガスとして知られる化学的に不活性な元素になります。^{[95] [96]}

原子の量は、温度や圧力などの物理的条件に依存するさまざまな物質の状態にあります。条件を変えることで、物質は固体、液体、気体、プラズマの間を遷移することができます。^[97]ある状態の中で、物質はさまざまな同素体で存在することもあります。その一例は固体炭素で、これはグラファイトやダイヤモンドとして存在することができます。^[98]二酸素やオゾンなどの気体同素体も存在します。

絶対零度に近い温度では、原子はボーズ・アインシュタイン凝縮を形成することができ、その時点で通常は原子スケールでのみ観察される量子力学的効果がマクロスケールで明らかになる。^{[99] [100]}この過冷却された原子の集合は単一の超原子として振る舞い、量子力学的挙動の基本的なチェックが可能になる可能性がある。^[101]

原子は小さすぎて見ることはできないが、走査型トンネル顕微鏡(STM) などの装置を使えば、固体表面で原子を観察できる。この顕微鏡は量子トンネル現象を利用しており、これにより粒子は古典的な視点では乗り越えられない障壁を通過できる。電子は 2 つのバイアス電極間の真空をトンネルし、その距離に指数関数的に依存するトンネル電流を発生させる。一方の電極は、理想的には 1 つの原子で終わる鋭い先端である。表面のスキャンの各ポイントで、先端の高さは、トンネル電流が設定値に保たれるように調整される。先端が表面に向かって、または表面からどれだけ移動するかが、高さプロファイルとして解釈される。バイアスが低い場合、顕微鏡は、密集したエネルギー レベル (フェルミ レベル付近の電子状態の局所密度) 全体の平均電子軌道を画像化する。^{[102] [103]}距離が関係するため、両方の電極は極めて安定している必要があり、そうして初めて個々の原子に対応する周期性を観察できる。この方法だけでは化学的に特異的ではなく、表面に存在する原子種を特定することはできません。

原子は質量によって簡単に識別できます。原子から電子の 1 つが除去されてイオン化されると、磁場を通過するときの軌道が曲がります。移動するイオンの軌道が磁場によって回転する半径は、原子の質量によって決まります。質量分析計は、この原理を使用してイオンの質量電荷比を測定します。サンプルに複数の同位体が含まれている場合、質量分析計は、さまざまなイオンビームの強度を測定することで、サンプル内の各同位体の割合を決定できます。原子を気化させる技術には、誘導結合プラズマ原子発光分光法と誘導結合プラズマ質量分析法があり、どちらもプラズマを使用してサンプルを気化させて分析します。^[104]

原子プローブトモグラフは3次元でサブナノメートルの解像度を持ち、飛行時間型質量分析法を用いて個々の原子を化学的に識別することができる。^[105]

X 線光電子分光法(XPS) やオージェ電子分光法(AES)などの電子放出技術は、コア電子の結合エネルギーを測定し、サンプル内に存在する原子種を非破壊的に特定するために使用されます。適切な焦点を合わせると、どちらも領域を特定できます。別の方法として、電子エネルギー損失分光法(EELS) があります。これは、透過型電子顕微鏡内で電子ビームがサンプルの一部と相互作用するときに、電子ビームのエネルギー損失を測定します。

励起状態のスペクトルは、遠く離れた恒星の原子組成を分析するために使用できます。観測された恒星からの光に含まれる特定の光波長を分離し、自由ガス原子の量子化された遷移に関連付けることができます。これらの色は、同じ元素を含むガス放電ランプを使用して再現できます。 ^[106] ヘリウムは、地球上で発見される23年前に、このようにして太陽のスペクトルで発見されました。^[107]

バリオン物質は観測可能な宇宙の全エネルギー密度の約4%を占め、平均密度は約0.25粒子/m ³（主に陽子と電子）である。^[108]天の川銀河などの銀河内では粒子の濃度がはるかに高く、星間物質（ISM）の物質密度は10 ⁵から10 ⁹原子/m ³の範囲である。^[109]太陽は局部バブル内にあると考えられているため、太陽近傍の密度は約10 ³原子/m ³に過ぎない。^[110]恒星はISMの濃い雲から形成され、恒星の進化の過程で、水素やヘリウムよりも重い元素がISMに着実に豊富になっていく。

銀河系のバリオン物質の最大95%は恒星内部に集中しており、原子物質にとって条件が不利である。バリオンの総質量は銀河の質量の約10%である。^[111]残りの質量は未知の暗黒物質である。^[112]恒星内部の高温により、ほとんどの「原子」は完全にイオン化され、すべての電子が原子核から分離される。恒星の残骸では、表面層を除いて、非常に高い圧力により電子殻は不可能である。

電子はビッグバンの初期段階から宇宙に存在していると考えられている。原子核は元素合成反応で形成される。約3分間のビッグバン元素合成により、宇宙のヘリウム、リチウム、重水素のほとんどが生成され、ベリリウムとホウ素もいくらか生成されたと思われる。^{[113] [114] [115]}

原子の遍在性と安定性は、その結合エネルギーに依存しており、これは、原子が結合していない原子核と電子のシステムよりもエネルギーが低いことを意味します。温度がイオン化ポテンシャルよりもはるかに高い場合、物質はプラズマ、つまり正に帯電したイオン（おそらく裸の原子核）と電子のガスの形で存在します。温度がイオン化ポテンシャル以下に下がると、原子は統計的に有利になります。原子（結合した電子を含む）は、ビッグバンから38万年後、膨張する宇宙が電子が原子核に付着できるほど十分に冷却された再結合と呼ばれる時代に、荷電粒子を支配するようになりました。^[116]

炭素やそれより重い元素を生成しなかったビッグバン以来、原子核は核融合のプロセスを通じて恒星内で結合し、ヘリウム元素をさらに生成し、（トリプルアルファプロセスを介して）炭素から鉄までの一連の元素を生み出してきました。^[117]詳細については 恒星内元素合成を参照してください。

リチウム6などの同位体や、一部のベリリウムやホウ素は、宇宙線核破砕によって宇宙空間で生成される。^[118]これは、高エネルギーの陽子が原子核に衝突し、多数の核子が放出されるときに発生する。

鉄より重い元素は、超新星や衝突する中性子星ではr過程、AGB星ではs過程によって生成され、どちらも原子核による中性子の捕獲を伴います。^[119]鉛などの元素は、主に重い元素の放射性崩壊によって形成されました。^[120]

地球とその住民を構成する原子のほとんどは、太陽系を形成するために分子雲から崩壊した星雲の中に現在の形で存在していました。残りは放射性崩壊の結果であり、それらの相対的な割合は放射年代測定によって地球の年齢を決定するために使用することができます。^{[121] [122]地球の地殻内の}ヘリウムのほとんど（ヘリウム3の存在量が少ないことからわかるように、ガス井からのヘリウムの約99％ ）はアルファ崩壊の産物です。^[123]

地球上には、最初から存在しなかった（つまり「原始的」ではない）微量原子や、放射性崩壊の結果でもない微量原子がいくつかある。炭素14は、大気中の宇宙線によって継続的に生成されている。^[124]地球上の原子の中には、意図的に、あるいは原子炉や爆発の副産物として人工的に生成されたものもある。^{[125] [126]}原子番号が92より大きい超ウラン元素のうち、地球上に自然に発生するのはプルトニウムとネプツニウムのみである。 ^{[127] [128]}超ウラン元素の放射性寿命は現在の地球の年齢よりも短いため^[129] 、これらの元素の識別可能な量は、宇宙塵によって堆積した可能性のあるプルトニウム244の痕跡を除いて、ずっと前に崩壊している。 ^[121]プルトニウムとネプツニウムの天然鉱床は、ウラン鉱石の中性子捕獲によって生成される。 ^[130]

地球にはおよそ1.33 × 10 ^{50 個の}原子。^[131]アルゴン、ネオン、ヘリウムなどの希ガスの独立した原子は少数存在しますが、大気の 99% は二酸化炭素、二原子酸素、窒素などの分子の形で結合しています。地球の表面では、圧倒的多数の原子が結合して、水、塩、ケイ酸塩、酸化物などのさまざまな化合物を形成しています。原子は結合して、結晶や液体または固体の金属など、個別の分子で構成されていない物質を作成することもできます。^{[132] [133]}この原子物質は、分子物質に関連する特定のタイプの小規模な中断された秩序を欠いたネットワーク配置を形成します。^[134]

原子番号が 82 (鉛)より大きいすべての核種は放射性であることが知られています。原子番号が 92 (ウラン) を超える核種は地球上に原始核種として存在せず、重い元素は一般に半減期が短くなります。しかし、原子番号110から114の超重元素の比較的長寿命の同位体^{[135]を含む「}安定の島」が存在する可能性があります。^[136]島で最も安定した核種の半減期は数分から数百万年と予測されています。^[137]いずれにしても、安定化効果がなければ、クーロン反発が増大し (その結果、半減期がますます短くなる自発的核分裂が発生します)、超重元素 ( Z  > 104) は存在しないでしょう。^[138]

物質の各粒子には、反対の電荷を持つ対応する反物質粒子があります。したがって、陽電子は正に帯電した反電子であり、反陽子は負に帯電した陽子です。物質と対応する反物質粒子が出会うと、それらは互いに消滅します。このため、物質と反物質粒子の数の不均衡とともに、反物質粒子は宇宙でまれです。この不均衡の最初の原因はまだ完全には理解されていませんが、バリオン生成の理論が説明を与える可能性があります。その結果、自然界で反物質原子は発見されていません。^{[139] [140] 1996年、}ジュネーブのCERN研究所で水素原子の反物質対応物（反水素）が合成されました。^{[141] [142]}

他のエキゾチック原子は、陽子、中性子、電子のいずれかを同じ電荷を持つ他の粒子に置き換えることで生成されています。たとえば、電子をより質量の大きいミューオンに置き換えると、ミューオン原子が形成されます。これらのタイプの原子は、物理学の基本的な予測をテストするために使用できます。^{[143] [144] [145]}

• Oliver Manuel (2001). Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. Springer. ISBN 978-0-306-46562-8. OCLC 228374906.
• Andrew G. van Melsen (2004) [1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Translated by Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
• J.P. Millington (1906). John Dalton. J. M. Dent & Co. (London); E. P. Dutton & Co. (New York).
• Charles H. Holbrow; James N. Lloyd; Joseph C. Amato; Enrique Galvez; M. Elizabeth Parks (2010). Modern Introductory Physics. Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-79079-4.
• John Dalton (1808). A New System of Chemical Philosophy vol. 1.
• John Dalton (1817). A New System of Chemical Philosophy vol. 2.
• John L. Heilbron (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford University Press. ISBN 0-19-512378-6.
• Jaume Navarro (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00522-8.
• Bernard Pullman (1998). The Atom in the History of Human Thought. Translated by Axel Reisinger. Oxford University Press. ISBN 0-19-511447-7.
• Jean Perrin (1910) [1909]. Brownian Movement and Molecular Reality. Translated by F. Soddy. Taylor and Francis.
• Eric R. Scerri (2020). The Periodic Table, Its Story and Its Significance (2nd ed.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-190-91436-3.

• Atoms in Motion - The Feynman Lectures on Physics
• Sharp, Tim (8 August 2017). "What is an Atom?". Live Science.