- 0 -
９５．２- 1 -
されると水という元素になり、寒と乾の組なら土に、熱と湿なら空気に、そして熱と乾な
ら火になる。たとえば水を火で加熱すると、空気（本当は水蒸気）が発生して土（残留物）
が残る。これは火の中の乾と水の中の湿が置き換わって、一方が空気になり他方が土にな
ると見事に説明される。
中世になるとさらに亜鉛、ヒ素、リンなど５種の元素が発見された。しかしそれが何年
のことかは、リンを除いて依然としてはっきりしていない。
中世は錬金術が流行した時代である。これは「かんたんに手に入る金属を高価な金に転
換する」ことを目指すものである。アリストテレスに従って考えると、現実の物質は始原
物質が不純物で汚されたものである。これを取り除いて純粋な始原物質が得られれば、最
高の物質である金が生成する奇跡も起こるだろう。それは「哲学者の石」という想像上の
物質を使って実現できると信じられ、この石を探求するために途方もない努力が注ぎ込ま
れた。錬金術師たちは「金という元素を他の元素から転換して合成しよう」としていたわ
けで、すべては不成功に終わることになった。そしてはからずも「ある元素を他の元素に
転換することはできない」という考えを育むことになった。これは元素の概念の発展であ
る。さらに彼らのさまざまな試行錯誤はしだいに、物質についての実際の知識を蓄積し、
また物質をあつかう操作技術を洗練していったのである。
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- 2 -
金属は金属灰とフロジストンの化合物であり、これを燃焼（酸化）すると、金属灰（本当
は金属と酸素の化合物）が残る。金属灰は各種の鉱石そのものだから、これから金属を取
り出すにはフロジストンと化合させればよい。製鉄の場合はコークス（炭素）が使用され
る。
鉄鉱石（鉄の灰） ＋ 炭素（炭素の灰＋フロジストン）
―→ 鉄（鉄の灰＋フロジストン）＋ 炭素の灰
こんなわけで、１７７４年にプリーストリーが燃焼をさかんに支える気体つまり酸素を
発見しても、彼はそれをフロジストンを受け入れやすい空気という意味で「脱フロジスト
ン化空気」と理解したのであった。
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- 3 -
っているそれぞれの単体の質量より大きく、またそれぞれの単体の質量の合計に一致する
はずである。彼はこれまでの研究を再検討し、それに基づいて元素表を作成した。元素の
概念そのものは、１００年あまり前にボイルが「元素とはそれ以上分解することができな
い物質（単体）をつくっているもの」であると定義していた。それに対してラボアジェは
実際の元素を示したのである。彼の元素表には３１種の元素が上げられている。これは画
期的なものであったが、熱や光、それに当時は分解できなかった化合物の石灰（酸化カル
シウム）やマグネシア（酸化マグネシウム）など、いくつかの誤りも含まれていた。
このような業績によって、ラボアジェは「化学の父」と尊敬されている。したがって元
素発見の第３の年代を、彼が正しい燃焼理論を確立した１７７７年から始めたい。それは
１８０６年で区切られる。この年代には１７種の元素が発見された。そのほとんどはチタ
ン、クロム、タングステンなど金属の元素である。その中にあとで話題になるウランとい
う元素があったことは記憶しておこう。
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- 4 -
電気的引力で結合が生じる。この結合を切って両原子を分離するには、電気分解によって
電気を与えなければならない。」これは現在のイオン結合の概念にかなり近いものである。
またファラデーはいろいろな物質を電気分解して、流した電気量とそれによって電極で
生成する物質の質量の関係を研究した。彼自身はできなかったが、生成する物質の質量を、
流した電気量で割った数値を計算してみる。後で分かるが原子とその元のイオンの質量は
ほぼ同一の数値なので、この「質量電荷比」はその物質の元になったイオン１粒の、質量
とそれが持っている電気量の比を表している。
Ｎａ+ ―→ Ｎａ 23.83 ×10-5 g/C
Ｃｌ- ―→ Ｃｌ 36.74
Ｃｕ2+ ―→ Ｃｕ 32.93
Ｈ+ ―→ Ｈ 1.045
単位の［ g/C ］はグラム毎クーロンと読み、クーロンは電気量の単位である。すべての中
で最も小さい数値を示す水素イオンの質量電荷比はやがて重要な意味を持ってくる。
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という定比例の法則を発見した。身近な例から説明する。水に砂糖を溶解する場合は、水
と砂糖の組成は甘い 7 ％ 砂糖水やシャビシャビの 2 ％ 砂糖水などいろいろなものをつ
くることができる。これに対して水素と酸素を化合して水を合成してみよう。水素が多め
の水をつくろうとして水素をたくさんつぎ込んでも、できる水の水素と酸素の組成はいつ
でも同じで、水素 11.1 ％ 酸素 88.9 ％ となり、余分の水素は化合せずに残ってしまう。
これは物質が原子からできている確かな証拠である。水は水素原子２個と酸素原子１個が
結合してできる。そして水素原子の質量と酸素原子の質量はそれぞれある定まった数値の
はずである。だからどのような条件で水を合成しようとも、水の組成は（水素原子の質量
の２倍）：（酸素原子の質量）になるのだ。これに対して新しい物質が合成されない溶解
の場合は、砂糖分子と水分子はいくつかが結合するのではなく、単純に混合するだけだか
らその組成も一定にはならない。
これより１００年あまり前に、ニュートンも原子について考えた。「原子は固形で質量
があり、堅くて丈夫で、ある定まった大きさや形などを備えている。原子は通常の力では
分割できず、もしすり減ったりきれぎれに分かれたりするようなことがあればその原子の
性質も変化してしまうはずである。」 彼は、物質の性質がその構造（質量、大きさ、形
など）によって決まってくる、つまり性質と構造の不可分性を認識している。ドルトンの
原子説はニュートンから影響を受けている。
ドルトンが高く評価されるのは、化合物の組成を考察することによって原子の質量つま
り原子量を具体的な数値として提示したことにある。彼は誤りも含んでいたのですこし修
正して説明する。原子の質量と言っても、それぞれ原子１個の質量が測定できたわけでは
ない。たとえば酸素原子を基準にして、その質量が 16 とするなら、水素原子はいくつと
言えるだろう。これは上記の水（Ｈ2Ｏ）の組成の測定値から計算できる。
88.9 ： 11.1／2 ＝ 16 ： ｘ
ｘ ＝ 1.0
つまり水素原子の質量は 1.0 と定まる。もうひとつ、二酸化炭素（ＣＯ2）の組成が炭素
27.3 ％ 酸素 72.7 ％ であることから炭素原子の質量も計算しよう。
72.7／2 ： 27.3 ＝ 16 ： ｙ
ｙ ＝ 12
このように原子量は相対的な質量であり、単位は存在しない。
ひとたび原子量が確定すると、今度はそれを物質の化学式を決定することに活用できる。
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たとえばマグネシウムと塩素の化合物があり、その組成がマグネシウム 25.5 ％ 塩素
74.5 ％ と分析されている。そしてマグネシウムの原子量は 24.3 塩素の原子量は 35.5
である。もしこの化合物の化学式が ＭｇＣｌ ならマグネシウムのパーセントは
24.3／（ 24.3 ＋ 35.5 ）＝ 0.406
40.6 ％
と大きくなりすぎる。そこでこの化合物の化学式が ＭｇＣｌ2 と仮定するとその場合のマ
グネシウムのパーセントは
24.3／（ 24.3 ＋ 35.5 × 2 ）＝ 0.255
25.5 ％
と一致する。こうしてこの化合物の化学式は ＭｇＣｌ2 と決定することができる。このよ
うにドルトンは、目にも見えない小さな原子に対してその原子量を提示することによって、
その原子の結びつきまで「見える」ようにしたのである。
以上のようにして「元素は原子からできている」という元素の概念の重要な発展が確認
された。
原子量（現在の数値）
水素 1.0079 硫黄 32.07
炭素 12.011 塩素 35.453
窒素 14.007 カルシウム 40.08
酸素 15.999 鉄 55.85
ナトリウム 22.990 銅 63.55
マグネシウム 24.305 銀 107.87
リン 30.974 ヨウ素 126.90
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リウムと合わせて「アルカリ金属」五元素がすべてそろった。
私たちは日ごろたき火の炎が黄橙色であることを何気なく見ている。また夏の夜空に打
ち上げられる花火の鮮やかな色彩に感動する。これらは「炎色反応」と呼ばれる現象であ
る。つまりある種の元素を含む物質を炎などの高温にさらすと、その元素に固有の色の光
を発する。たとえばたき火の炎の黄橙色はナトリウム、銅は青緑色、ストロンチウムは深
赤色、インジウムは深青色、カリウムは赤紫色である。これは古くから知られており、物
質の識別にも利用された。そしてこの光をプリズムによってスペクトルに分けるようにな
って飛躍が起こった。
太陽の光をプリズムに通すと七色に分かれ
ることは知っていよう。これは色によって屈
折率が異なるために起こる。このそれぞれの
色をスペクトルという。また色とは私たちが
目という感覚器を通して光を見たとき感じる 図３
もので、その識別能力はそんなに高くない。
光は電波と同じ電磁波と呼ばれる波動であり、
その波長に応じてあれこれの色として感覚さ
れる。
波長（ nm ） 光の色
770 以上 赤外線（見えない）
770 〜 640 赤
〜 590 橙
〜 550 黄
〜 490 緑
〜 430 青＆藍
〜 380 紫
380 以下 紫外線（見えない）
（「理科年表」より）
ここで〔 nm 〕とはナノメートルと読み、メートル〔 m 〕の１０億分の１（ 1／109 ）の
長さの単位である。ちなみに色の感覚には個人差がある。
元素が炎色反応によって発する光は、虹のように連続したスペクトルではなく、いくつ
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かの線になったスペクトルである。つまり元素は特定の色の光のみを発するのである。そ
のような色の測定には、線スペクトルの位置を調べて波長に置き換えるのが正確である。
たき火（ナトリウムによる）
589 nm 黄橙色
水銀灯の光（もちろん水銀による）：全体は白色
579 ＆ 577 nm 黄色
546 nm 黄緑色
436 nm 藍色
（「理科年表」より）
これらは特に強い線スペクトルの波長のみを上げた。このように元素はその線スペクトル
によって確認することができる。スペクトル分析は存在量がわずかでも測定できる利点が
ある。
ブンゼンは鉱泉から湧き出る水を分析して未知の線スペクトルを発見した。彼は新しい
元素が存在することを確信し、 300 t もの鉱泉水を処理して、わずか 50 g の塩化白金酸
セシウムを手に入れた。ただしこの時点ではセシウムの単体は取り出されなかった。
スペクトル分析でとくに興味深いのは、ヘリウム元素の発見である。これは太陽の光を
くわしく分析する中で、黄色をした未知の線スペクトルが発見され、それを発しているは
ずの元素をヘリウムと名付けたのであった。そしてそれから３０年ほどして、やっと地球
上で同じ線スペクトルを発する単体つまりヘリウムが発見された。このように元素発見の
意味も変化してきた。
その後スペクトル分析は、赤外線吸収スペクトル、核磁気共鳴スペクトルなどさまざま
な形に発展し、現在では分析化学の主流になっている。電波望遠鏡で受けたミリ波スペク
トルを分析する技術は、はるか宇宙空間に漂うたくさんの分子を確認している。
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た元素をその原子量の順に並べると、性質の似た元素が７つ目ごとに現れることを見い出
した。
Ｈ Ｌｉ Ｂｅ Ｂ Ｃ Ｎ Ｏ Ｆ Ｎａ Ｍｇ Ａｌ Ｓｉ Ｐ Ｓ Ｃｌ Ｋ Ｃａ ・・
すでに紹介したハロゲン、アルカリ金属で確かめることができる。これは音階に似ている
ので、彼はオクターブの法則と名付けた。
またマイヤーは横軸に元素の原子量を、縦軸にその原子容を目盛って次のようなグラフ
を得た。原子容とは原子１個が占める体積を表す数値である。グラフは明らかに周期的で
ある。
図４
これに対してメンデレーエフは、元素をひとつの表に分類整理しようと試みた。彼はそ
の研究にふさわしく元素に関する膨大な知識を持っていた。彼はそれらをカードに整理し
て、まるでトランプ遊びをするようにあれこれと並べてみた。そしてついに性質の似た元
- 10 -
素が縦に並ぶように分類整理された周期表を完成させたのである。それは現在使われてい
るものとはかなり異なる姿をしていたが、その本質においては共通している。現在の周期
表では横の欄は上から第１周期、第２周期・・・と呼ばれ、現在第７周期まで来ている。
縦の欄は左から１族、２族・・・と呼ばれ、最後は１８族で終わる。３族の第６周期と第
７周期には、それぞれランタノイド、アクチノイドという、互いに性質がよく似た１５種
の元素群が配置されている。縦に並んだ互いに性質の似た元素は「同族元素」と呼ばれる。
ところで現在では元素はその原子番号の順に並べるべきであることが判明している。「原
子番号」とはモーズレーがエックス線スペクトルの研究から見い出したもので、その原子
の原子核に含まれる陽子の個数に等しい。幸いにも原子量の順と原子番号の順は、わずか
３カ所で隣どうしが入れ替わっていただけである。
メンデレーエフは賢明にも、周期表に元素を並べていくとき、未発見の元素が存在する
ことを考慮して、その性質が他の同族元素にふさわしくない場合は空欄としてとばした。
そして今度は完成した周期表を活用して、これらの空欄に入るべき未発見の元素の性質を
予言した。その予言は驚くほどに的中したので、彼の周期表の正当性はいやが上にも高ま
った。その一例としてゲルマニウムの場合を紹介する。彼はこれをケイ素のすぐ下の欄の
元素と言うことでエカケイ素と呼んだ。
エカケイ素 ゲルマニウム
原子量 72.0 72.3
密度 5.5 5.47
原子容 13.0 13.2
酸化物の密度 4.7 4.70
塩化物の沸点 100 86
エチル化合物の沸点 160 160
（久保「化学史」より）
なお彼の周期表は、希ガス元素（１８族）をすっぽりと欠落させていた。それはこの同族
元素に関してはヘリウム元素が唯一発見されたばかりで、それも太陽の光の中においてだ
ったので、無理からぬことである。
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ろいろなウラン化合物を黒い紙で包んだ写真乾板（フイルム）の上に置くと、光が当たっ
ていないのに感光することを発見した。それはウラン元素から透過力の強い何ものかが放
出されていることを示している。この何ものかは「放射線」と呼ばれた。そしてその感光
の強さはウラン元素の質量に比例している。だから感光を調べれば、放射線を放出してい
るウラン元素の存在を確認できる。放射線分析はスペクトル分析に比べてもはるかに高感
度である。
１８９８年にフランスの化学者マリー・キュリーは夫と協力して、この新しい分析技術
を使ってポロニウムという元素を発見した。彼女は、取り出した酸化ウランよりその鉱石
であるピッチブレンドの方が強い放射線を放出していることに注目した。それにはもっと
強い放射線を放出する未知の元素が隠れているにちがいない。こうして始めにポロニウム
が、続いてラジウムが発見された。とくにラジウムはきわめて強力な放射線を放出するこ
とで注目された。
こうして元素発見の第６の年代は１８９８年から１９３６年までである。この年代には
１２種の元素が発見された。その中で「希ガス」六元素がその全容を現した。それまでに
発見されていたヘリウム、アルゴンに、新たにネオン、クリプトン、キセノン、ラドンが
つけ加えられた。これにはラムゼーの貢献が大きい。希ガスは空気中にごくわずか含まれ
ている。
ヘリウム 0.000524 ％（体積パーセント）
ネオン 0.001818
アルゴン 0.934
クリプトン 0.000114
キセノン 0.0000087
（「化学便覧」より）
彼は、乾燥した空気から窒素、酸素、二酸化炭素を除いたときのごくわずかな不純物を見
逃さなかったのである。なおラドンは放射線分析で発見された。そしてこれらの希ガスは、
他の元素と化合物をつくらないという特徴があった。
この年代には原子の姿も解明された。そのくわしい内容は次節にゆずるが、便宜的にこ
こでその結論をかんたんに説明しておく。原子は中心に小さい原子核があり、そのまわり
をいくつかの電子が運動している。原子核はいくつかの陽子と中性子からできている（水
素原子は陽子１個のみ）。陽子はプラスの電気を持っており、中性子はその名のとおり電
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気的に中性である。電子は陽子と同量のマイナスの電気を持っている。原子ではその中の
陽子と電子の個数は一致していて、全体として電気的に中性になっている。また陽子と中
性子はどちらもその質量が、原子量の基準で測定するとほとんどきっかり１である。これ
らに比べて電子はその質量が１８４０分の１しかない。
陽子 1.0073 （1.6726 ×10-24 g）
中性子 1.0087 （1.6750 〃 ）
電子 0.0005486 （0.0009110 〃 ）
（「化学便覧」より）
だから原子のだいたいの質量はその原子核に含まれる陽子と中性子の個数を合計した数値
になる。この数値は文字どおり「質量数」と呼ばれる。元素記号に質量数を表示するとき
はその左上に書く。ちなみにすでに紹介した原子番号は元素記号の左下に書く。
１９０２年にイギリスの物理学者ラザフォードとソディは、放射性元素であるトリウム
が奇妙な振る舞いをすることに気づいた。彼らは硝酸トリウム水溶液にアンモニア水を加
えて、水酸化トリウムの沈でんを生成しこれをろ過して分離した。
Ｔｈ（ＮＯ3）4 ＋ ４ＮＨ3 ＋ ４Ｈ2Ｏ ―→ Ｔｈ（ＯＨ）4 ＋ ４ＮＨ4ＮＯ3
するとこの沈でんはほとんど放射性を示さなかった。代わりにろ液を煮つめて得られたわ
ずかな粉末が元通りの強い放射性を示した。最初２人はトリウム元素の放射性は本当はこ
の不純物が持っていたと考えた。ところが３週間ほどしてこの水酸化トリウムを調べてみ
ると、元通りの強い放射性を回復していた。このことは、トリウム元素自身は弱い放射性
しか持っていない。そしてトリウム元素は少しづつ強い放射性を持ったある元素に転換し
ていく、と解釈できる。やがて不純物に含まれる元素がラジウムの一種であることが判明
した。トリウム元素がラジウム元素に転換するのである。これは画期的な発見である。こ
のような現象を「放射性崩壊」という。中性の錬金術師たちの否定的な結論にもかかわら
ず、「ある種の元素は放射線を放出して自然に他の元素に転換していく」ことが確認され
たのである。これはまたもや元素の概念の発展を意味する。
実は上の説明には注目すべきことがある。「ラジウムの一種」という言葉を用いたが、
これは正確には「その多くの性質はすでに発見されているラジウムと同じだが、その原子
量が異なっている新しいラジウム」という意味である。その後の研究で、どちらのラジウ
ムも周期表の同じ欄に位置すべきであることが判明し、「同位体（アイソトープ）」と呼
ばれることになった。現在ではその秘密は解明されている。どちらのラジウム原子もその
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原子核の中に含まれる陽子の個数は８８である。つまり原子番号は８８である。ところが
含まれる中性子の個数は１３６と１３８で異なっている。前に紹介した質量数を使えば
２２４と２２６である。そして「元素の多くの性質はその原子番号でほぼ決定される」こ
とが判明している。こうして原子をより厳密に区別するには質量数を付属させる必要があ
る。ラザフォードとソディが発見したのは「トリウム２３２が放射性崩壊してラジウム
２２４に転換する」ことである。ちなみにラジウムの同位体は他にもいくつか見つかって
いる。
現在ではすべての元素の原子に同位体の存在することが判明してる。だから元素は、か
ってドルトンらが考えたように、同じ質量、大きさ、形を持つ単一の原子からできている
のではなく、「ひとつの元素はいくつかの同位体の混合物である」と元素の概念を改める
必要がある。ただし物質をあつかう多くの場合にこれらの同位体を区別することはできな
いので、私たちは通常それらをひとつの元素名で呼ぶのである。
ここで元素の原子量を見直しておこう。次は酸素と塩素の天然の同位体の存在率である。
酸素 16Ｏ 99.76 ％（個数パーセント）
17Ｏ 0.038
18Ｏ 0.204
塩素 35Ｃｌ 75.77 ％
37Ｃｌ 24.23
（「理科年表」より）
酸素のようにひとつの同位体の存在率が圧倒的に高いと、その原子量はその同位体の質量
数に近くなる。実際に酸素の原子量は 16.00 である。これに対して塩素のような場合、そ
の原子量は各同位体の質量数をその存在率を加重して平均したものに近いだろう。
35 × 0.76 ＋ 37 × 0.24 ＝ 35.48
実際の塩素の原子量は 35.45 である。ちなみに、現在の原子量は「炭素１２を基準にして
その質量を１２としたとき、他の原子が持つことになる相対的な質量である」と定められ
ている。ここで「原子」とは１種の同位体のこともあれば、その元素が含んでいるいくつ
かの同位体を平均したような仮想的な原子を指すこともある。
なお放射線を放出する同位体は放射性同位体と呼ばれ、現在ではトレーサーや年代測定
に活用されているが、それについては別の機会に譲りたい。
現在では元素が放射性崩壊するときに放出するのは、アルファ線、ベータ線、ガンマ線
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図５
（ポーリング「一般化学」より）
の３種の放射線であることが判明している。アルファ線はヘリウム原子の原子核で、陽子
２個と中性子２個からできている。そして陽子２個分のプラスの電気を持った粒子が飛行
するので、それは一種の電流である。だから磁石を近づけると、フレミングの左手の法則
によって横向きの力を受ける。つまりアルファ線は磁石でその軌道を曲げられる。ベータ
線は電子である。だからこれも磁石でその軌道を曲げられる。ただし電子はマイナスの電
気を持っており、またその質量がアルファ線よりはるかに小さいので、反対向きにより大
きく曲げられる。これに対してガンマ線は電磁波の一種であるが、光の１００万分の１以
下の波長である。ちなみに光をはじめとする電磁波については、アインシュタインが光子
と呼ばれる小さい粒子からできていることを発見している。だからガンマ線は光子からで
きていると言える。放射線が飛行する軌道は、ウイルソンが発明した「霧箱」を使うと、
私たちでもそのひとつひとつの飛跡を立体的に観察することができる。
元素の放射性崩壊は原子核が変化する反応、つまり「核反応」の一種である。元素が１
個のアルファ線を放出すると、原子番号が２だけ小さいそして質量数が４だけ小さい元素
に転換する。またベータ線については中性子が陽子に転換すると同時に電子とニュートリ
ノを放出する機構になっている。だから元素が１個のベータ線を放出すると、原子番号が
１だけ大きいそして質量数が変わらない元素に転換する。ちなみにニュートリノは光子に
似ているが、他に何の影響も与えずに地球を貫通してしまうような粒子なので、それが放
出されているのを検出することは通常は困難である。ガンマ線に関しては元素の転換は起
こらない。それから原子核の中の陽子の個数が増減すると、原子はまわりの物質と電子の
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受け渡しをして調整する。
元素の放射性崩壊は次々に連続して起こるので、私たちは横軸に原子番号を縦軸に質量
数を目盛ってそれをひとつの系列として表現することができる。次の表はトリウム元素か
ら始まる系列である。このようにいくつかの元素は互いに家族のようにつながっている。
現在では４種の系列が存在することが確認されている。
図６
目次へ
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図７
（ポーリング「一般化学」より）
それは陰極線と呼ばれていた。彼は図のような装置を使って飛行する陰極線に電場をかけ
（その軌道にプラス・マイナスに帯電した金属板をセットして）、プラス側に曲げられる
ことを確認した。陰極線はマイナスの電気を持った粒子である。彼はまた磁場をかけても、
陰極線が曲げられることを実験した。このような研究を通して私たちが期待するのは、陰
極線の質量やそれが持っている電気量が測定されることである。しかし実際に測定できる
のは「質量電荷比」である（４節参照）。つまり陰極線の質量が大きいほど曲がりにくく、
それが持っている電気量が大きいほど曲がりやすい。この兼ね合いを表す質量と電気量の
比が測定された。彼の実験には誤差が伴っていたので、現在の数値では次のようになる。
陰極線の質量電荷比 ＝ 0.0005686×10-5 g/C
この数値は実験材料によって変わらない普遍的なものであった。トムソンは陰極線が原子
をつくっている粒子のひとつであると主張した。すでにストーニーは電気分解の研究から、
原子と同じように、電気量にもそれ以上分割できない小さい単位があることを見抜き、そ
れを「電子」と名付けていた。やがて電子はそれだけの電気量を持った小さい粒子と考え
られるようになった。トムソンはその電子の正体こそ、陰極線そのものであると考えた。
原子がイオンになるときは、電子（ｅ-）が受け渡しされる。したがって水素イオンと陰極
線が持っている電気量は等しい。
Ｈ ―→ Ｈ+ ＋ ｅ-
こうして彼は水素イオンの質量電荷比を陰極線のそれで割って
1.045×10-5 ／ 0.0005686×10-5 ＝ 1838
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電子は一番小さい水素原子のさらに１８４０分の１の質量しか持たないと判断した。やが
てミリカンが電子の電気量を単独で正確に測定した。これは電気素量と呼ばれる。
電気素量 ＝ 1.6022 × 10-19 C
これによって電子の質量の方も確定した（８節参照）。
マイナスの電気を持った電子が発見されると、今度は原子の中のプラスの電気を持つ部
分に関心が向かった。それは原子の質量のほとんどを占めているだろう。トムソン自身は
ぶどうパンのようなイメージをもっていた。つまり小さい干しぶどうの電子が、パンの中
に埋め込まれているのである。
ところで歴史をさかのぼると、ドルトンと同時代のプラウトは多くの元素の原子量がき
わめて整数に近いことに注目した。そして最小の水素原子の原子量が１であることから、
「他の元素の原子は水素原子がいくつか集まったものである」という仮説を立てた。つま
り彼は原子の構造を考えたのである。
１９１１年にラザフォードは実験に基づいて「原子はその中心にきわめて小さい、その
質量のほとんどを占めプラスの電気を持った原子核が存在し、それに比べればはるかに広
いまわりの空間を、マイナスの電気を持ったいくつかの電子が運動している」ことを提唱
した。彼とその共同研究者は図のように、アルファ線つまりヘリウムの原子核を金箔に照
射してどのように散乱されるかを研究した。アルファ線は硫化亜鉛のスクリーンで検出し
た。これはきわめて大きいエネルギーを持っているので、１個のアルファ線が衝突する度
にスクリーンにせん光が観察される。その結果は大多数のアルファ線は金箔を貫通してわ
図８
（ポーリング「一般化学」より）
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ずかにその向きを変えられるだけだった。ところが 0.5 μm の厚さの金箔を使った場合で、
１０万個に１個くらいのアルファ線が、大きくしばしば９０度以上その向きを変えられる
ことを発見した。ラザフォードはこの大角度の散乱を理論的に検討して、原子の中でその
質量のほとんどを占めプラスの電気を持った部分がきわめて小さいという結論に到達した。
続いてボーアは原子スペクトルの研究から、原子核のまわりを運動する電子についてく
わしく解明した。彼の理論に基づいてモーズレーは、原子核が持っている電気量を測定し
た。その結果はすべての電気量が電子の電気素量の整数倍であった。しかしこのこと自身
は、まわりを運動するいくつかの電子の電気を原子核が中和していることからすれば当然
である。むしろ重要なのは、その数字からそれぞれの原子が含んでいる電子の個数を知る
ことができる点である。それ以上に彼が目を見張ったのは、その数字が周期表において元
素を右にたどっていくと正確に１ずつ増加していくことであった。原子量の方はそのよう
にはなっていない。この数字こそ原子の順番を表すのにふさわしい。モーズレーはこれを
原子番号と名付けた。
こんな流れの中で、当時の科学者は次のように考えていた。水素原子の原子核はプラス
の電気を持った最小の粒子である。他の原子の原子核は、プラウトの仮説から、水素の原
子核がいくつか集まったものである。水素原子の原子核は後に「陽子」と呼ばれるように
なるので、これからはその用語を使おう。ある原子の原子核が含む陽子の個数はその原子
量から分かることになる。ところがそれではプラスの電気が多すぎるのである。たとえば
酸素の原子量は１６だから、その原子核には１６個の陽子が含まれる。ところが酸素の原
子番号は８なので、８個の陽子が余分になる。そこで原子はその原子核の中にもいくつか
の電子を含んでいると考えた。その個数は原子量から原子番号を差し引いて得られる。つ
まり酸素原子ではその原子核の中に８個の電子を含んでいるのだ。
１９３２年にイギリスの物理学者チャドウィックは、ベリリウムにアルファ線を照射し
たときに放出される放射線を研究して、それが陽子と同じ質量を持ちかつ電気的には中性
であることを発見した。彼はこれを「中性子」と名付けた。しかし当時の考えに従って、
それは陽子と電子が結びついたものであると見なした。後になって中性子が単独の粒子で
あることが確認される。こうして原子核はいくつかの陽子といくつかの中性子からできて
いることが判明した。もちろん陽子の個数はその原子番号に一致している。
原子の構造が解明されたこの段階では、「物質をつくる本当の元素は陽子、中性子、電
子である」と表現することが可能である。しかしそれもつかの間、現在では陽子や中性子
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がさらに小さいクォークからできていることが分かってきた。
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粒子加速器は、くり返し加速するために電気を持った粒子に磁場をかけて円運動するよ
うにしたサイクロトロンが考案された。また現在もっとも活躍しているのは、電子と反電
子（陽電子）のようにプラスの電気を持った粒子とマイナスの電気を持った粒子を、反対
向きに加速して正面衝突させるコライダーというタイプである。その最大のものはヨーロ
ッパ合同原子核研究所（ＣＥＲＮ）の直径が 8486 m のＬＥＰと呼ばれるものである。日
本には直径が 960m のトリスタンというコライダーがある。
イタリアの物理学者セグレは、重陽子（陽子１個と中性子１個からなる原子核）を加速
するサイクロトロンのターゲット（標的）として使われていたモリブデンに注目した。モ
リブデンは高温に耐えるので選ばれていたが、この原子番号は４２番であり周期表でその
右隣は空欄だったのである。彼はターゲットのモリブデンをねばり強く放射線分析して、
１９３７年に新しい元素つまりテクネチウムが存在することを確認したのである。やがて
彼はターゲットからわずか 0.0000001 mg のテクネチウムを取り出すことに成功した。後
になって天然のウラン鉱からも微量のテクネチウムが取り出された。
４つの空欄が埋められていく一方で、ウランよりも原子番号が大きい元素が存在するか
どうか問題にされた。それは人工的に合成してみるのが一番の解決策であった。陽子など
と違って中性子は電気を持っていないため、プラスの電気を持った原子核に接近してそれ
と合体することが容易である。そしてできた原子核がベータ線を放出して崩壊してくれた
ら、原子番号が１つ大きい元素に転換することが期待できる。こうして９２番のウランに
中性子を衝突させて、９３番の元素つまりネプツニウムが人工的に合成されたのである。
238Ｕ ＋ ｎ ―→ 239Ｕ ―→ 239Ｎｐ
同じような考え方で９４番のプルトニウム、９５番のアメリシウム・・・、そして今年
（１９９５年）になって１１０番の元素の合成が報告された。そして現在までに９３番と
９４番は自然界にもわずか存在することが確認されている。だから天然に存在する元素は、
１番の水素から９４番のプルトニウムまでと言える。
最後にウランの「核分裂」についてかんたんに紹介しておく。ウランの同位体のひとつ
であるウラン２３５に中性子を衝突させると、できた原子核はすぐに２つに分裂すると同
時に１〜３個の中性子を放出する。生成する原子核はさまざまだが、一方の質量数が８５
〜１０５に、他方の質量数が１３０〜１５０になる。この核反応は、通常の燃焼反応に比
べて格段に大量の熱エネルギーを発生する。同じ質量で比較すると、ウラン２３５は石油
や石炭の２００万倍以上になる。ところがこの核分裂が最初に利用されたのが、１９４５
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年に広島に投下された原子爆弾であったことは、科学の歴史における最大の汚点である。
これは現在は原子炉として利用されており、日本では総発電量の３分の１をまかなってい
る。しかし承知しているように、原子炉はその安全性が課題となっている。
関連する実験
（１）テルミット反応による鉄の製錬
（２）溶融した塩化鉛の電気分解
（３）塩化マグネシウムの化学式の決定
（４）炎色反応と手づくり分光器
（５）霧箱による放射線の観察
（６）陰極線の観察
参考文献
トリフォノ著「化学元素 発見のみち」（内田老鶴圃）
久保昌二著「化学史 化学理論発展の歴史的背景」（白水社）
ワインバーグ「電子と原子核の発見」（日経サイエンス社）
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