■「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。」こう言ったのはリチャード・ファインマンだった。確かにメンデレーエフが創出した元素周期表は、原子番号がそのまま各元素の陽子の数と対応している。原子番号は自然数と自然の状態との関係を最もシンプルに表したものの１つだろう。
■しかし総体と個別を共に表しうる１と、そうではない２以降の数との間の埋めがたいギャップにも似て、宇宙で最も多く存在する原子番号１の水素と、原子番号２以降の各元素との間には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であり電子数も１と２なのに、質量比は１：４となっている。水素の原子核は陽子１つだけなのに、ヘリウム４の原子核は陽子２個と中性子２個からなるからだ。
■つまり陽子１つと電子１つからなる最も簡単な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。原子核が陽子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と、陽子１つと中性子２つからなる三重水素３Ｈだ。では他の原子同様に中性子も持つ重水素を原子番号１としたらどうか。残念ながら重水素は天然存在比が水素の５桁も下なのだ(※1)。
■水素、重水素、３重水素の質量数は１：２：３(※2)である。原子番号２のヘリウムは２つの陽子と２つの中性子と２つの電子からなる。そしてこのヘリウム４にも同位体がある。２つの陽子と１つの中性子と２つの電子からなるヘリウム３だ。ヘリウム３とヘリウム４の天然存在比はほぼ１：100万と６桁も違うが、その質量数は３：４である(※3)。つまり３重水素とヘリウム３の質量はほぼ等しいのだ。
■質量数とは原子核を構成する陽子と中性子の合計数のことだ。原子番号では最初の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。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。下の同位体組成表を参照ししながら確認してみよう。すでに見たように質量数１は水素、２は重水素、３は３重水素とヘリウム３であり、４はヘリウム４であった。
■さて次の質量数５は空欄になっているがなぜだろう？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だ。次の質量比６と７は、陽子３個と中性子３個のリチウム６と陽子３個と中性子４個のリチウム７で、天然存在比はそれぞれ7.5％と92.5％である。
■さて次の原子量８は陽子４と中性子４のベリリウム８になるはずだが、ここでも瞬時に強固な結び付きの２つのヘリウム４に分裂してしまって存在できないのだ。ここにも不連続ができている。原子量９は陽子４中性子５で安定しているベリリウムだ。ベリリウムはこの原子核での散在比率が100％である。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。ここまでで分かったことは、アルファ粒子とも呼ばれている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。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。
■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。ただし質量数21と22のネオン21及びネオン22も、それぞれ0.27％と9.25％存在している。質量数22を超えて第３周期のナトリウムで初めて質量数は22を超えて23となる。
■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。どちらも４つの水素原子核が連鎖的に反応して１つのヘリウム原子核になる水素核融合だが、その条件や過程が異なる。後者の場合、反応過程に現れる炭素・酸素・窒素原子核は反応の触媒として働き、サイクル中で再生産される。主系列星で質量が太陽の２倍程度で中心温度が２×10７Ｋ以上の場合、後者が優勢になる。
■恒星内におけるＣＮＯ反応は、それ以前にこの元素が存在していなければ成り立たない反応である。なおＣＮＯサイクルには２種類あり、その片方では原子番号９のフッ素も生成されて触媒として働いている。よって原子番号の６：炭素，７：窒素，８：酸素，９：フッ素は、数の上だけから見れば最初の５までの数を基にした新たなるペンターブブシステム、つまり（５＋）１，２，３，４とも見て取れる。
■大量のヘリウムが存在する恒星内部で温度が約１億Ｋ以上の環境では、３個のヘリウム４の原子核が瞬時に結合して炭素12の原子核に変換されるトリプルアルファ反応という核融合反応が起こる。質量数８の壁をエネルギー的共鳴によって一気に飛び越して12にまで至るのだ。またこれにさらにヘリウム４が融合して酸素16となる反応も起こる。恒星内部ではウランまでの全ての元素が合成されているのだ。
４He + ４He
←→ ８Be
８Be + ８He
←→ 12Ｃ +
γ + 7.367 MeV
12Ｃ +
４He
→ 16Ｏ +
γ
■ある原子が何個の他の原子と結合するかを表す数を原子価という。化学学習の初期には「手の数」として説明されるが、普通は電子軌道の最外殻にある電子の数に等しい。化学結合や物性に関わる電子は、原子内の最外殻など外側を回っている。ただし元素によって（特に遷移金属）は複数の原子価を持つものもある。また複雑な化合物における振る舞いの多くは、量子力学を基本とした理解が必要となる。
■化学結合には大別して３種類ある。共有結合は非金属元素間で生じるケースが多く、原子同士で互いの電子を共有しあう化学結合である。イオン結合は金属元素と非金属元素との間での形成が多く、正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持つ陰イオンの間の静電引力による化学結合だ。金属結合はその名の通り金属同士の結合で、規則正しく配列した陽イオン間を、自由電子が静電引力で結び付けられて動き回る。
■何らかの原因で原子が電子を放出したり受け取ったりして、原子全体として電気を帯びた状態の粒子をイオンと言う。一般に価電子の数が１，２，３個と少ない原子は、価電子を放出してそれぞれ１，２，３価の陽イオンになりやすい。また価電子数が５，６，７個と多い原子の場合は、電子殻を満たす価電子を受け取って３，２，１価の陰イオンになりやすい。また８（＝０）価は安定して不活性である。
■価電子数４の原子は、殻の８つの席の４つが埋まり４つが残っているので、４価の陽イオン、陰イオンどちらにもなり得る。原子番号19：Ｋカリウムからは内側から順次埋まっていく構造は乱れるが、電子殻の多重構造から価電子は８という数がマジックナンバーになる。上図はヘリウム、ネオン、アルゴンの電子配置の概念図だ。それぞれＫ、Ｌ、Ｍ殻まで全て電子で埋まっているので価電子は０である。
■価電子数１，２，３，５，６，７，８はイオンの＋１価、＋２価、＋３価、＋４価または−４価、−３価、−２価、−１価、０となるということだ。つまりここにも<１，２，３，４>の構造を見ることができるのだ。実際は価電子数４と５の原子は存在し難いのだが、例えばZr４＋、Ti４＋、Th４＋などは強い加水分解傾向を有するのでpH０などの強酸性下では溶液中でも存在するので、絶無と言うわけではない。
価電子数を表した表
『原子とイオン』 http://www.geocities.jp/science_soul/science/chem/c03.html より。
■１，２，３，４…という数の概念を念頭に元素における原子量を数えていると、何やらそこに逆に数の概念そのものの反映を見ているような気にもなる。
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（※１）水素と重水素の存在比は100％表示で、99.985％と0.015％すなわちほぼ10000：１である。2007年の時点では、自然には存在しない水素の同位体が実験室で合成されてはいるが、最大の７重水素に至っては10ゼプト秒（一垓分の一秒＝0.000000000000000000001秒）しか存在しない。
（※２）同位体存在比と原子量は変動するので値の正確さには限界があるが、より正確には1.00782503207：2.0141017778：3.0160492777である（統一原子質量単位比）。
（※３）ヘリウム３とヘリウム４の天然存在比は0.000137％と99.999863％である。そしてこのヘリウム３とヘリウム４の質量比は3.01602931と4.002602(2)だ。
(※４)アルファ崩壊とは、原子核がアルファ粒子を放出して原子番号が２、質量数が４少ない原子核に変換する反応のことだ。またニュートリノとは、ヴォルフガング・パウリがベータ崩壊をうまく説明するために想定した電気を帯びていない極微粒子だが、後になって実際に発見された。原子と原子核の大きさは東京23区とサッカーボール程だが、陽子とニュートリノとは地球と米粒くらいの違いがある。
NUMBER
01-16:原子価、原子量、原子番号
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