原子の隠された構造はどのように見えるのか？

原子の構造

原子の歴史と発見

私たちの目に見えるものはすべて、原子、ギリシャ語の「atomos」（不可分）に由来する多数の原子でできている。はるか昔、紀元前4世紀に、ギリシャの哲学者レウキッポスとデモクリトスは、すべての物質は永遠に運動し続ける微細で非常に堅固な粒子から構成されているという仮説を立てた。今日、原子は不可分ではないため、私たちは原子についてもう少し正確な考えを持っている。

そのおおよその大きさは1811年以来知られており、アメデオ・アボガドロは原子の大きさを10^-10メートルと推定した。1911年、アーネスト・ラザフォードは原子の構造を精密化し、原子核の大きさを10^-14メートル程度と与えた。

原子の大きさ、質量、組成

原子の大きさに関しては、原子軌道、すなわち核を取り巻く電子雲について語られる。この雲の理論上の直径は、ヘリウム原子の62 pm（ピコメートル）からセシウム原子の596 pmまで様々である。物質の性質は単純ではなく、この微小な距離は周囲の原子の化学的性質に依存して変化する。

核は原子の質量の大部分（99.99％）を占めるが、その質量も知られており、安定な原子の場合、水素では1.674×10^-24 g、ウランでは3.953×10^-22 gの範囲にある。

その組成も知られている：内部には核と、原子の空間全体を占める電子雲があり、核よりも約10万倍も大きい。さらに驚くべきことに、観測可能な宇宙内の原子数は桁違いに把握されており、約10⁸⁰（1の後に0が80個続く）と推定されている。この値は、推定される恒星の数（約10²³）とその平均質量を水素原子の相当数に換算して得られる。

原子の安定性

古典物理学のパラドックス

原子の安定性は古典物理学では説明できない。なぜなら、古典物理学では、負に帯電した粒子である電子と正に帯電した陽子はパラドックスを引き起こすからである。

古典物理学では、物質は消滅し、消滅するはずである。なぜなら、原子核の周りを放射する電子はエネルギーを失い（マクスウェルの理論）、したがって原子核に落下するはずだからである。これは、原子の安定性が古典理論の枠組みでは理解できないことを意味する。

量子力学の解決策

20世紀の科学の天才たちは、1924年にルイ・ド・ブロイ（1892-1987）の波動力学のおかげでこのパラドックスを解決し、1926年にエルヴィン・シュレーディンガー（1887-1961）によって一般化され、1933年にポール・ディラック（1902-1984）とともにノーベル物理学賞を受賞したシュレーディンガー方程式と呼ばれる波動方程式に至った。

量子力学では、パラメータの値を測定せずに正確に知ることはできない。数学的理論は、状態を速度と位置の正確な組ではなく、波動関数（状態ベクトル）によって記述し、それによって粒子がある点に存在する確率を計算することができる。したがって、量子力学の確率的性質は、粒子が波でもあり、単なる質点ではないことを予測する。

軌道と化学結合

電子は、電磁気力を介して核と相互作用する原子軌道を占め、核子は核内で核結合によって一緒に保持されている。

電子雲は、核の周りに量子化されたエネルギーレベルに階層化され、電子殻と副殻を定義する。核子も核殻に分布しているが、かなり便利なモデルが液滴モデルに基づいて核構造を普及させている。

複数の原子は、その電子を介して化学結合を形成することができ、一般的に、原子の化学的性質は、その核内の陽子の数に由来する電子配置によって決定される。この数は原子番号と呼ばれ、化学元素を定義する。

可視化された金原子

走査型トンネル顕微鏡による金原子の観察

物質の間近では、純金（Au 100）の表面が走査型トンネル顕微鏡によって詳細に示されている。この画像で見える金原子は、金の結晶構造上で規則的に間隔をあけて配置されている。この原子画像は、2006年にアイントホーフェン工科大学のErwin Rossenによって低温Omicron STMを用いて撮影された。

IBMの歴史的偉業：原子で文字を書く

原子を見ることは一つのことである。それらを一つずつ動かすことは別のことである。1989年11月、カリフォルニア州のIBMアルマデン研究所の物理学者ドナルド・アイグラーとエルハルト・シュバイツァーは、走査型トンネル顕微鏡の先端を原子ピンセットとして使い、4ケルビン（-269℃）に冷却したニッケル表面上で35個のキセノン原子を一つずつ動かし、「IBM」の3文字を形成した。この入念な操作には約22時間を要した。得られたロゴは、高さわずか5ナノメートル、幅17ナノメートルで、通常の印刷文字の約50万分の1の大きさだった。1990年に雑誌Natureに掲載され、この画像はナノサイエンスの誕生を象徴するものとなった。走査型トンネル顕微鏡が原子を観察するだけでなく、操作し、文字通り最も基本的な物質で構築できることを証明したのである。この原子単位での操作技術は、今日でも実験室のツールであり、工業製造プロセスではない。なぜなら、必要な条件（高真空、絶対零度近い温度）が量産には制約が大きすぎるからである。

STMを超えて：原子間力顕微鏡と最近の進歩

走査型トンネル顕微鏡（STM）には限界がある：導電性表面が必要であり、先端と試料の間を「トンネル」する電子の電流を測定するためである。絶縁性材料や個々の分子を研究するために、研究者らは1986年に開発された補完技術、原子間力顕微鏡（AFM）を使用する。これは電流ではなく、超微細な先端と表面の原子との間の相互作用力を測定し、事実上あらゆる材料をプローブできる。

2010年代半ば以降、これらの技術は飛躍的に進歩した。2023年には、研究チームがAFMを用いて有機分子内の単一金属原子の電子軌道のシグナルを直接観察することに成功し、単一原子のスケールで、シュレーディンガー方程式が1世紀にわたって予測してきた形状を確認する偉業を成し遂げた。同年、別のチームは走査型透過電子顕微鏡（STEM）に基づく技術を開発し、二次元材料における原子スケールでの電子密度のマッピングを可能にした。これらの測定は間接的であり（電子を通常の物体のように「写真撮影」するわけではない）が、理論量子物理学を直接観測に毎年少しずつ近づけている。

原子の大きさ

元素の原子半径

いくつかの原子の理論上の（計算された）原子半径（大きさはピコメートル（10^-12メートル）で示す）。原子半径は、隣接する2つの原子の核間距離の半分である。この表に示された値は参考値である。