２章 電子・原子・原子構造 3章 電子の配置と周期表 ４章 原子構造と量子化学 出典 a）桜井弘著、“元素１１１の新知識”（ブルーバックス、講談社） ）桜井弘著、“元素１１１の新知識”（ブルーバックス、講談社） b) 井口洋夫著、”元素と周期律”裳華房（1969） ） 井口洋夫著、”元素と周期律”裳華房（ c）近角聰信、木越邦彦、田沼静一著、”最新元素知識”東京書籍 ）近角聰信、木越邦彦、田沼静一著、”最新元素知識”東京書籍 （1976） ） d) 元素図鑑 中井泉 ベスト新書 e) Wikipedia 目的 １）原子の構成粒子の種類（陽子＋中性子＋電子） ２）元素の種類と構成内容（陽子数＝電子数→ ２）元素の種類と構成内容（陽子数＝電子数→元素種、中性子数） ３）元素の性質の周期性と周期表 ４）量子入門 ２章 電子・原子・原子構造 ２.１） 元素発見の歴史と原子 ●元素に関する知識の蓄積と周期表（不完全）の作成 １）錬金術時代からの分析化学的手法により、 １）錬金術時代からの分析化学的手法により、18 錬金術時代からの分析化学的手法により、18世紀末ま 18世紀末ま で約30 で約30種の元素 30種の元素( 種の元素(element) element) ２）19 電気化学分析(デービー、K デービー、K、Na、 Na、Mg、 Mg、 ２）19世紀に入ると、 19世紀に入ると、電気化学分析 世紀に入ると、電気化学分析( Sr、 Sr、Ba、 Ba、Ca)、 Ca)、発光スペクトル分析( 発光スペクトル分析(炎色反応、ブンゼン、キ 炎色反応、ブンゼン、キ ルヒホフ, ルヒホフ, Cs、 Cs、Rb) Rb)などにより、半世紀強の間にそれまで知 られていたものとほぼ同数の未知元素が発見された ３）その結果、元素の分類整理が可能となり、原子量の順 ３）その結果、元素の分類整理が可能となり、原子量の順 に並べると8 に並べると8番目ごとに類似の性質が現れる( 番目ごとに類似の性質が現れる(オクターブの 法則) 法則)などの周期性が確認された ４）1869 ４）1869年 1869年 メンデレーフによる62 メンデレーフによる62種元素の 62種元素の周期表 種元素の周期表の発表 周期表の発表 ●周期表( ●周期表(periodic table) table)の完全化 １）周期表の隙間を埋める仕事 ○ケイ素と錫の間： エカエカ-ケイ素→ ケイ素→Ge ○エカ○エカ-ホウ素→ ホウ素→Sc、 Sc、○エカ○エカ-アルミニウム→ アルミニウム→Ga ２）第 ２）第18族元素 18族元素（周期表に無い系）：不活性ガス 族元素（周期表に無い系）：不活性ガス( （周期表に無い系）：不活性ガス(inert gas) gas)、 希ガス (rare gas, 単原子分子)の発見 単原子分子 の発見 ○気体の液化技術と分別蒸留技術の開発による ○19世紀末 世紀末Ne 世紀末Ne、 Ne、Ar( Ar(Arの発見は、空気から Arの発見は、空気からO の発見は、空気からO2とN2を化学 反応で取り除いた残留気体の分光による) 反応で取り除いた残留気体の分光による)、Kr、 Kr、Xeが発 Xeが発 沸点見された。また、一番沸点の低いHe 沸点-268.9℃ 268.9℃, 見された。また、一番沸点の低いHe (沸点 4.18K、 年に太陽の輝 4.18K、常圧では固体とならない）は1868年に太陽の輝 常圧では固体とならない）は 線スペクトル中の未知元素に命名されたもの。 ●周期表の完全化 3）周期表の隙間を埋める仕事 ○ランタノイド元素(La～ ～Luの の15元素 元素)と ～Lrの の15 ランタノイド元素 元素 とアクチノイド元素(Ac～ アクチノイド元素 元素)は、各 元素 は、各15種の元素の化学的性質が互いに極めて類似し、発 は、各 種の元素の化学的性質が互いに極めて類似し、発 見、解明に長時間を要した 年、モーズリーは原子番号 ○モーズリーの法則（ モーズリーの法則（1913年、モーズリーは 年、モーズリーは原子番号(Z, 原子番号 atomic と元素の特性 の平方根の間に直線関係 number)と元素の と元素の特性X線 特性 線の波長(λ の波長 λ)の平方根の間に直線関係 (2.1式、 式、a, 式、 Z0は全ての元素について一定)を発見 は全ての元素について一定 を発見 図2.1 1 λ 2.１） = a( Z − Z 0 ) （2.１） 特性X線の測定により、メンデレーフの周期表が改善された。 特性 線の測定により、メンデレーフの周期表が改善された。 １）原子量順に並べることに伴う元素順位の逆転の訂正 [K(原子量 58.71)→ [K(原子量=39.102) 原子量=39.102)→ =39.102)→ Ar(39.948) Ar(39.948), (39.948) Ni(58.71) 58.71)→ Co(58.9332), Co(58.9332) I(126.90)→ I(126.90)→ Te(127.60)]。 Te(127.60)]。原子番号（ 原子番号（原子核の陽子数= 原子核の陽子数=電 子数）順に並べることで解決された 子数）順に並べることで解決された[ ）順に並べることで解決された[Ar(18) Ar(18)→ (18)→ K(19), K(19) Co(27)→ Co(27)→Ni(28), Ni(28) Te(52) Te(52)→ (52)→ I(53)]。 I(53)]。 原子核( 原子核(atomic nucleus), nucleus), 陽子( 陽子(proton), proton), 電子( 電子(electron) electron) ●原子番号順と原子量順の逆転は、同位体 ●原子番号順と原子量順の逆転は、同位体( 同位体(isotope) isotope)の 存在比に原因があった。 存在比に原因があった。 ２）原子番号92 ２）原子番号92の 92のUより前にある周期表に空白であった元素 （Tc(43), Pm(61), Hf(72), Hf(72), Re(75), At(85), Fr(87)）の発見が Fr(87)）の発見が おこなわれた。 ３）ランタノイド系列の確定が行われた。 1914年にオクスフォード大学に戻って研究を続けるが、第一次世界 大戦がはじまるとイギリス軍工兵隊に所属して出征。ガリポリの戦 いに参加し、同地で命令を電話連絡している際に狙撃兵に頭部を 撃ち抜かれて戦死した。27歳だった。早すぎる死がなければノーベ ル賞の受賞は間違いなかったといわれている。彼が戦死した事件 を受けて、以後イギリスや他国の政府は自国の科学者が戦闘に従 事することを禁ずるようになったと言われる。ちなみに、この戦いを 指揮した当時の海軍大臣チャーチルは1953年にノーベル文学賞を 受賞するのは、歴史の皮肉である。 Moseley Following conversations in 1913 with Niels Bohr, a fellow worker in Ernest Rutherford's Cavendish laboratory, Moseley had become interested in the Bohr model of the atom, in which the spectra of light emitted by atoms is proportional to the square of Z, the charge on their nucleus (which had just been discovered two years before). Moseley's law is an empirical law concerning the characteristic x-rays that are emitted by atoms. It is historically important in quantitatively justifying the conception of the nuclear model of the atom, with all, or nearly all, positive charges of the atom located in the nucleus, and associated on an integer basis with atomic number. Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887 –1915) was an English physicist. Moseley's outstanding contribution to the science of physics was the justification from physical laws of the previous empirical and chemical concept of the atomic number. This stemmed from his development of Moseley's law in X-ray spectra. Moseley's Law justified many concepts in chemistry by sorting the chemical elements of the periodic table of the elements in a quite logical order based on their physics. When World War I broke out in Western Europe, Moseley left his research work at the University of Oxford behind to volunteer for the Royal Engineers of the British Army. Moseley was assigned to the force of British Empire soldiers that invaded the region of Gallipoli, Turkey, in April 1915, as a telecommunications officer. Moseley was shot and killed during the Battle of Gallipoli on 10 August 1915, at the age of 27. Some prominent authors have speculated that Moseley could have been awarded the Nobel Prize in Physics in 1916, had he not died in the service of the British Army. 電子 原子核（陽子＋中性子） 水素：原子核は 陽子１個のみ K殻（shell） Li：原子核は 陽子3個+ 中性子3, 4個 He：原子核は 陽子2個+中性子(neutron) １（3He)、2(4He)個 原子核 He2+ α線 Be, B, C, F, Neは？ は？ L殻 図2.2 K殻 L殻 M殻 N殻 O殻 収容電子数 総電子数 ２ ２ ８ 10 １８ 28 ３２ 60 ５０ 110 n 元素 1 H, He 2 Li, Be, B, C, N, O, F, Ne 3 Na, 4 5 Br（臭素） 電子数 35 陽子数 35 中性子数 42,43,44,45,46,47 ７９ ３５ Br 陽子数 81 35 Br 質量数＝陽子数＋中性子数 図2.3 2-2）原子模型と特性X線 ○長岡半太郎（土星型原子模型、1904 長岡半太郎（土星型原子模型、1904） 1904）→ ラザーフォードの原子模型（1911 ラザーフォードの原子模型（1911） 1911） →ボーアの原子模型(1913) ボーアの原子模型(1913) 1. 電子衝撃により K電子が飛び出す 2. 外殻電子がK殻に飛び込む 3. 振動数νの特性X線が発生 L Kβ Kα Kγ Kγ Lγ K K Kβ Lβ Lα プランク・アインシュタインの式 (2.2) E = hν = hc λ = hck ν:振動数、h 振動数、h：プランク定数、 c：光速, ：光速, λ：波長、k ：波長、k：波数 (2.2) Kα 図2.4 プランク・アインシュタインの式 hc E = hν = λ = hck (2.2) 振動数、h：プランク定数、 ν :振動数、h ：光速, λ：波長、k：波数 c：光速, E = mc2 (粒子） 粒子） (2.3) 波動速度v 波動速度v v=νλ ウラン以降の超ウラン元素 超ウラン元素の合成に、原子核への放射線 放射線α線（ヘリウ ヘリウ 超ウラン元素 ム原子核He 電子）、 電子 γ線(高エ ム原子核 2+)、β線（原子核の崩壊により放出される電子 ネルギー電磁波))の照射、加速器により人工的に得た高エネルギー 粒子(中性子、陽子、他)の照射、Uや超ウラン元素の中性子照射、超 超 重元素の重イオン照射が用いられた(原子番号93から114まで） 重元素 ●α線：正電荷をもつ質量の重いα線 は少し曲げられる。無磁場では気体中 を直線的に進行し、進路に沿って多く 電磁波 の分子をイオン化する。 ●β線：質量が軽い負電荷のβ線は、α 線と反対の方向に大きく曲げられる。 He2+ ●γ線：波長の短い電磁波で、透過力 は強く、磁場の影響を全く受けない。 人体に極めて危険である。 電子 図2.5 放射性元素（radioactive element） 放射性同位体（radioactive isotope） Po 84番元素 半金属 （16族 O, S, Se, Te, Po) 昇華性があり、化学的性質は、テルルやビスマスBiに類似する。水に溶けない。塩酸に はゆっくり溶ける。硫酸、硝酸には易溶、アルカリにはわずかに溶ける。酸化数は、 −2,+2,+4,+6価を取り得る（+4価が安定）。 ウラン系列の過程でラドンRn222が崩壊することによってポロニウム218が生じ、更にこ れが崩壊していく過程でポロニウム214、ポロニウム210が生じる。自然界に存在するポ ロニウムでは、ポロニウム210の半減期が138.4日と一番長い。人工的に作られるポロニ ウム209の半減期は102年である。全ての同位体が強力な放射能を持っている。 マリ・キュリーがポロニウムの存在を示唆した際に、ポロニウムを 含む精製物がウランの300倍の放射活性を持つと記した表現が一 人歩きして、ウランの300から330倍の強さの放射能を持つという 表現がされることが多いが、実際にはウランの100億倍の比放射 能（単位質量当りの放射能の強さ (Bq/mol, Bq/g)）を有し、ごく微 量でも強い放射能を持つ（ただし、逆に自然界にはウランの100億 分の1程度しか存在しない）。このため、昇華性のあるポロニウム は内部被曝の危険が大きい為厳重な管理の下で取り扱われなければならない。しかし、 ポロニウムが発するα線自体は皮膚の角質層を透過出来ないため、ポロニウムを体内 に取り込まない外部被曝に関しては危険性は少ないともいえる。 α線源や原子力電池に加えてベリリウムBeと組み合わせて中性子発生源として核兵器 の起爆装置にも使われる。 α線：He2+ 「ポロニウム２１０はウランの百億倍の比放射能を有するが、 所詮アルファ―線だ、紙一枚でも防ぐことができる。飲み込 んで体内被曝しなければ平気だ・・・傭兵代理店（渡辺裕之） リトヴィネンコ事件 ・・・・・・・の不正と陰謀を暴こうとしていた・・・の元中佐だった リトヴィネンコは、亡命先の英国で放射性物質のポロニウム ２１０で毒殺された。「ポロニウムをもられてから２２日間リト ヴィネンコは苦しみぬき、骨と皮と化し死亡（４４歳）」 電磁波（Electromagnetic wave） 電磁波 空間の電場と磁場の変化によって形成される波（波動）で 電磁放 ある。いわゆる光や電波は電磁波の一種である。電磁放 射（-輻射、Electromagnetic radiation）とも呼ばれる。 ◎電磁波は波であるので、散乱や屈折、反射、また回折 や干渉などの現象を起こし、 波長によって様々な性質を示 す。このことは特に観測技術で利用されている。 ◎微視的には、電磁波は光子と呼ばれる量子力学的な粒 子であり、物体が何らかの方法でエネルギーを失うと、そ れが光子として放出される。また、光子を吸収することで物 体はエネルギーを得る。 cm 105 103 104 102 101 10-1 1 波長 λ m 10-3 10-2 10-4 マイ ク ロ 波 電波 THz GHz 振動数ν Hz 103 10 -4 104 10-5 105 μm 10-6 106 10-7 107 10-8 108 nm 10-9 109 1010 1011 1012 1013 Å 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 波長 λ m 可 視光線 近赤 外 線 赤外線 真空紫外 線 紫外 線 遠赤 外 線 振動数ν Hz 1013 1014 1eV 赤 770 1015 1016 1017 X線 1018 1019 1keV 橙 黄 緑 青 紫 640 590 550 490 430 380 nm γ線 1020 1021 1022 1MeV 1023 1GeV 図2.6 プランク・アインシュタインの式 hc E = hν = λ = hck (2.2) 振動数、h：プランク定数、 ν :振動数、h ：光速, λ：波長、k：波数 c：光速, E = mc2 (粒子） 粒子） (2.3) 波動速度v 波動速度v v=νλ ○質量（mass） 電子静止質量(me = 9.109×10−31 Kg) 陽子(1.6726×10−27 Kg)や中性子(1.6749×10−27 Kg)の1/1836 原子の質量はほとんど原子核が決定 ○同位元素 同位元素また同位体 同位体： 同位元素 同位体：陽子の数が同一で、中性子の数が異な る元素。 水素の場合 １）質量数が１の１H (水素 hydrogen), ２）一個の中性子が加わった 重水素( デューテリウム, 重水素 ２HまたはD：デューテリウム デューテリウム deuterium)、３）さらに一個の中 性子が加わった三重水素 三重水素( トリチウム, 三重水素 ３HまたはT：トリチウム トリチウム tritium) Dは自然の水素中に1/3500～1/5000含まれている。Tは自然界にも 放射性元素である。 存在するが、主に核反応により人工的に作られる放射性元素 放射性元素 1H – + 2H(D) + – 3H(T) – + 水素 1H、重水素 2H(D)、三重水素3H(T)の構成 – 電子 図2.7 + 陽子 原子核 中性子 2-3) 元素( 元素(element) element)の分類 典型元素： 典型元素：1族、2 族、2族、12 族、12族 12族-18族の 18族の47 族の47元素。これら以外は遷移元素 47元素。これら以外は遷移元素 遷移元素： 遷移元素：3族―11族の ―11族の64 族の64元素（原子番号 64元素（原子番号111 元素（原子番号111までに 111までに限り） までに限り）d 限り）dまたはf またはf 軌道に電子が入る。 アルカリ金属元素( アルカリ金属元素(alkali) alkali)：1族中の6 族中の6元素（Li, 元素（Li, Na, K, Rb, Rb, Cs, Fr） Fr） アルカリ土類元素( アルカリ土類元素(alkaline earth) earth)：2族中の4 族中の4元素（Ca,Sr,Ba 元素（Ca,Sr,Ba, Ca,Sr,Ba, Ra） Ra） ハロゲン元素( ハロゲン元素(halogene) halogene)：17族中の 17族中の5 族中の5元素(F, 元素(F, Cl, Cl, Br, I, At) 希ガス元素： 希ガス元素：18族中の 18族中の6 族中の6元素（He, 元素（He, Ne, Ar, Ar, Kr, Xe, Xe, Rn) Rn) 意味のない暗記法：すいへいりーべぼくのふね、なまあるけいりん いえんある、かっかすかっちばくろーまん 原子の構成 原子は、半径10 原子は、半径10−5～10−4Å（1Å＝ 1Å＝10-8 cm = 0.1 nm)の原子核を中 nm)の原子核を中 心として電子が半径1 心として電子が半径1～2Åの電子軌道を廻るモデルで説明される。 2Åの電子軌道を廻るモデルで説明される。 原子核は陽子( 原子核は陽子(＋1価)と中性子(0 と中性子(0価 (0価)より構成され、陽子の数Nが 原子番号つまり元素を規定する。陽子の数(+ 原子番号つまり元素を規定する。陽子の数(+N価)に相当する数の 電子が電子軌道に存在し原子は0 電子が電子軌道に存在し原子は0価である。 ２.4） ） 水素原子の電子軌道、発光スペクトルとボーアの原子模型 放電管に封入された水素に電圧をか け放電すると、原子状水素から、2.4式 け放電すると、原子状水素から、 式 に従った多くの輝線スペクトルが紫外 ～赤外領域に観測された 実験結果 1 λ = R( 1 n1 2 − 1 n2 2 ) 2.4式 式 図2.8 水素原子のスペクトル系列とエ ネルギー準位。n = ∞より上のエネル ギー準位からの光の放出は連続スペク トルを与える。左縦軸はn = 1の準位か らのエネルギー（V単位）、右縦軸はn = ∞の準位からのエネルギー準位（cm−1 単位)で、各系列の数字は波長である （Å単位）。 自由電子状態 O殻 n=5 N殻 n=4 O殻 N殻 M殻 n=３ M殻 E2 L殻 n=2 電子励起 エネルギー イオン化エ ネルギー E1 L殻 E2 – E1 = hν 励起された電子が 下の軌道に落ち込 むとき光を出す K殻 n＝１ 水素原子の基底状態 E2 E1 （２．５） K殻 励起状態 図2.９ 基底状態(ground state), 自由電子 (free electron), 励起 (excitation), 励起状態(excited state) E2 – E1 = hν E2 パッシェン系列 赤外部 バルマー系列 可視部 E2 – E1 = hν 図2.10 E1 ライマン系列 紫外部 ２－５）イオン化ポテンシャル 電子親和 ２－５）イオン化ポテンシャル（イオン化電圧 イオン化ポテンシャル イオン化電圧、I イオン化電圧 p）、電子親和 力（EA）原子・分子をイオン化（ 原子・分子をイオン化（Cation 原子・分子をイオン化（Cation, Cation, Anion）するに必要な Anion）するに必要な エネルギー 電子が自由な状態にある時のエネルギーを 基準（真空準位、自由電子準位）とした時、 Ip イオン化ポテンシャルは、電子が占めている 最高の軌道(原子軌道、分子軌道)のエネル ギーで、このエネルギー以上の光を原子・分 子に照射すると電子が外界に出る（赤矢印）。 一方、電子が占めていない最低の軌道のエ ネルギーは電子親和力で示され(青矢印)、 系に電子を入れると、EAに相当するエネル ギーが得られる。 0 EA ε 図2.11 イオン化ポテンシャル(ionization energy), 電子親和力(electron affinity) イオン化エネルギー(Ip)の周期性 ●ある原子がその電子をどれだけ強く結び付けているのかの目安 ●同一周期の中で最高のイオン化エネルギーは希ガスのもので あり、希ガスは安定な閉殻 ）電子配置をもつ。 あり、希ガスは安定な閉殻（ 閉殻（closed shell）電子配置をもつ。 ●最低のイオン化エネルギーは周期表の左端にある第1族 ●最低のイオン化エネルギーは周期表の左端にある第 族 元素のものである。これらの原子のひとつから電子1個を除 元素のものである。これらの原子のひとつから電子 個を除 くと希ガス原子と同じ閉殻電子配置を持つイオンになる。 図2.12 ２－１章 元素 原子 原子核 電子 陽子 中性子 復習 element atom （原子核＋電子） atomic nucleus (陽子＋中性子） electron e e－ β線 proton H＋ neutron 量子 quantum ２.１） 元素発見の歴史と原子 ●元素に関する知識の蓄積と周期表（不完全）の作成 １）18 １）18世紀末まで約 18世紀末まで約30 世紀末まで約30種の元素 30種の元素 ２）19 ２）19世紀に入ると、 19世紀に入ると、電気化学分析 世紀に入ると、電気化学分析( 電気化学分析(デービー、K, デービー、K,、 K,、Na、 Na、Mg、 Mg、Sr、 Sr、Ba、 Ba、Ca)、 Ca)、発光スペ クトル分析 クトル分析( 分析(炎色反応、 炎色反応、 Cs、 Cs、Rb) Rb)などにより、約３０種の元素 ３）原子量の順 ３）原子量の順に並べると 原子量の順に並べると8 に並べると8番目ごとに類似の性質が現れる( 番目ごとに類似の性質が現れる(オクターブの法則) オクターブの法則) ４）1869 ４）1869年 1869年 メンデレーフによる62 メンデレーフによる62種元素の 62種元素の周期表 種元素の周期表の発表 周期表の発表 ●周期表の完全化 第18族元素 単原子分子)の発見 18族元素：不活性ガス、希ガス 族元素：不活性ガス、希ガス (単原子分子 単原子分子 の発見 ○気体の液化技術 ○気体の液化技術と 液化技術と分別蒸留技術の開発による 分別蒸留技術の開発による ○19世紀末 世紀末Ne 沸 世紀末Ne、 Ne、Ar、 Ar、Kr、 Kr、Xeが発見された。また、一番沸点の低い Xeが発見された。また、一番沸点の低いHe が発見された。また、一番沸点の低いHe (沸 点-268.9℃ 年に太陽の輝線スペ 268.9℃, 4.18K、 4.18K、常圧では固体とならない）は1868年に太陽の輝線スペ 常圧では固体とならない）は クトル中の未知元素に命名されたもの。 太陽での水素原子 の 核融合 ４個の 1H → 4He + 26.2 MeV ●周期表の完全化 周期表の隙間を埋める仕事 ○ランタノイド元素(La～ ～Luの の15元素 元素)と ～Lrの の15元素 元素)は、 ランタノイド元素 元素 とアクチノイド元素(Ac～ アクチノイド元素 元素 は、 各15種の元素の化学的性質が互いに極めて類似し、発見、解明に長時間を要 種の元素の化学的性質が互いに極めて類似し、発見、解明に長時間を要 した ○モーズリーの法則（ 年、モーズリーは原子番号(Z)と元素の モーズリーの法則（1913年、モーズリーは原子番号 年、モーズリーは原子番号 と元素の特性 と元素の特性X線 特性 線の波 長(λ λ)の平方根の間に直線関係 の平方根の間に直線関係(2.3式、 式、a, の平方根の間に直線関係 式、 Z0は全ての元素について一定)を発見 は全ての元素について一定 を発見 1 λ = a(Z − Z 0 ) 29
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