#004　元素の成り立ちに数を数える

■１■「化学者というのは難しい数え方をする。陽子が１個、２個、３個、４個、５個と言うところを、水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウム、ホウ素と数えるのだから。」そう言ったのはリチャード・ファインマンだった。確かに元素周期表を見ると、原子番号がそのまま各元素の陽子の数と対応している。

■２■原子番号とはそれぞれの原子の原子核の中にある陽子の数のことである。自然界の中でもこれほど明確に数と番号が対応しているものはそう多くない。数は３から始まると表現しているが、ここでもやはりものの数ではない１と２は特別である。原子番号１はＨ：水素、そして２はHe：ヘリウムである。

■３■フィボナッチ数列は１，１，２，３，５，８…と並ぶが、これは１つがいの兎が時の経過と共に１つがいの子を生み、そのつがいの総数がどう増加していくかという想定の数列である。つまりオスとメスの２匹で１単位なので、個体数で考えれば最初から全てこの数列で示された数の２倍なのである。

■４■原子番号と原子量の関係もこの事情に似ている。つまり通常、原子核の中には陽子の数とほぼ同質量の中性子が存在しており、崩壊しやすかったり中性子数が異なる同位体もあるので必ずしも厳密ではないが、原子量で見ていけばそれぞれの原子はゆらぎを持ちつつ原子場号のほぼ２倍になっている。

■５■しかし宇宙で最も多く存在する原子番号１の水素は、原子番号２以降の各元素との間に決定的な差異がある。水素とヘリウムの原子番号は１と２なのに、質量比は１：４となっている。それは陽子２つ中性子２つのヘリウム原子核に対し、水素の原子核は陽子１つだけなので原子量は１のままだからだ。

■６■つまり水素だけが中性子を有していないのだ。いや中性子を持つ水素の同位体も存在する。陽子１つだけの水素１Ｈに対して、陽子１つと中性子１つからなる重水素２Ｈだ。では他の原子同様に原子量２の重水素を原子番号１とすれば良いのでは？残念ながら重水素は存在比が水素の５桁も下なのだ。

■７■さらに言えば、陽子１つと中性子２つからなる３重水素３Ｈも存在する。なお原子番号２のヘリウムの原子核は陽子２つ、中性子２つで原子量は４だったが、実は２つの陽子と１つの中性子からなる同位体・ヘリウム３も存在する。ただし天然存在比はヘリウム４とほぼ１：100万と６桁も違うのだが。

■８■整理しよう。原子量１が水素、２が重水素、３は３重水素とヘリウム３、そして４がヘリウム４である。ヘリウム４の陽子２つと中性子２つからなる４つ組の原子核は実に強固な結び付きのユニットで、大きな原子の不安定核のアルファ崩壊にともなって放出されるアルファ粒子そのものでもあるのだ。

■９■原子番号では連続する最初の１と２の間にすでに質量数で１と４というギャップがあったが、ほんのわずかながら質量数２と３もあり連続していた。では同じ元素でも同位体を区別できるこの質量数で数えれば、自然数の不連続はなくなるだろうか。画像の同位体組成表を参照しながら確認してみよう。

■10■ヘリウム４の原子核はその結びつきが非常に強いので、そこに中性子や陽子がぶつかって融合したとしても瞬時にヘリウム４に崩壊してしまうのである。つまり質量数５に相当するものは存在できないのである。その次に存在するのは陽子３と中性子が３個及び４個のリチウム６とリチウム７である。

■11■さて次の原子量８は陽子４と中性子４のベリリウム８になるはずだ。しかしここでも瞬時に強固な結び付きの２つのヘリウム４に分裂してしまうので、原子量８に相当するものは存在できない。ここにも不連続ができている。そこで全てのベリリウムは陽子４中性子５の原子量９で安定しているのだ。

■12■原子番号５のホウ素は陽子５個と中性子５個及び６個の原子量10と11で、天然存在比は19.9％と80.1％である。そして原子量12でようやく炭素12に辿りつく。なお原子量13の炭素13も存在する（存在比は98.93％：1.07％）。原子量９以降は様々な原子の同位体も含めて連続して存在する。

■13■ここまでで分かったことは、中性子の有無による原子番号１の水素とヘリウムの決定的な差異、強固な結び付きのヘリウム原子核によって、原子量が５と８に相当する原子が存在できないということだ。５と８はフィボナッチ数の５と６だ。この質量数４をペンターブ的内部構造と捉えることもできる。

■14■最初の５つの元素の内部を数の数え上げ的に見てきたが、この先、同位体も含めて炭素・窒素・酸素が続き、陽子９個と中性子10個からなる質量数19で存在度が100％のフッ素が来て、最後に陽子10個と中性子10個で原子番号10、質量数20のネオン20で周期表の第２周期までが終わることになる。

■15■ただし質量数21と22のネオン21及びネオン22もわずかに存在している。そして第３周期の原子番号11：ナトリウムで初めて質量数は22を超えて23となる。原子番号17：塩素とイオン結合して、私たちに欠かせない塩化ナトリウム（塩）となるが、この聖なる化合物の原子番号の和は生命の数の28だ。

■16■最初の水素から原子番号５のホウ素までで一区切りがあり、原子番号６、７、８、の炭素・窒素・酸素を含む原子番号10まででまた一区切りがあり、第３周期の原子番号11のナトリウムから原子番号15のリンまでで３つ目の区切りを見る。炭素・窒素・酸素、そして水素とリンでＤＮＡは構成される。

■17■恒星内での核融合にはｐ−ｐチェイン（陽子−陽子連鎖反応）とＣＮＯサイクルがある。ＣＮＯはもちろん炭素・窒素・酸素である。どちらも４つの水素原子核が１つのヘリウム原子核になる水素核融合だ。…いや、そんなに話を急ぐことはない。この先はまた次の機会に改めて見ていくことにしよう。

2013.01.13 Wednesday