自販機部門の船木です。
昨年2015年12月31日のまさに年の瀬押し迫るときに入ってきたニュースが、「元素周期表にアジア初、日本発の元素が加わる」というちょっと嬉しいニュースでした。原子番号113の仮称「ウンウントリウム」の元素の命名権を、日本の理化学研究所が獲得したというのです。
「水兵 リーベ 僕の船」。元素周期表と言えば、確か高校生くらいのときだったか、そんなふうに、化学の時間に原子番号1番から10番までの元素名を覚えたのを思い出します。
古くから、炭素、金、銀、銅、硫黄、スズ、鉛、水銀、鉄といった金属元素は知られていて、ヒッタイト王国の製鉄技術は人類の歴史を大きく変えたとまで言われています。
先駆的な周期表は、ラヴォアジエが元素をリストアップしたあたりから始まったとされていますが、周期表らしい最初の周期表と言えばメンデレーエフの周期表が有名でしょう。
現在、学校教育などで用いられている国際標準の元素周期表というのは、簡単に言えば、原子の種類である各元素の性質が電子軌道の配置により異なる特色を示すことから、電子軌道の配置をベースに定められたものです。
元素周期表（出典：ウィキペディア）
現在の元素周期表というのは、まさしく量子力学などの成果に基づくものと言えますが、パウリの排他律、フントの規則、摂動といった小難しい話はここでは脇に置いて、ざっくりと説明しましょう。
元素周期表
まず、原子は、陽子と中性子からなる原子核の周囲を、電子が円軌道を描いて運動しているイメージが、よく学校の教科書などでは描かれています。これは現代の量子力学の観点からは正しくないのですが、陽子、中性子、電子といった物質の基本粒子が量子論的成果から飛び飛びの整数値しかとらないことを短絡的なイメージで伝えるには実はいまだに最も効果的な手法だと言えます。
この元素周期表における元素の配置は、各電子軌道に格納される電子の個数に基づいて定まるのですが、1対1に対応付けられる原子番号自体は原子核に含まれる陽子の数で決まります。要するに、原子番号＝陽子の個数です。そして、原子はイオンとは違って、陽子の個数と電子の個数が等しく、電気的に中性になっていますから、とりあえずは原子番号＝電子の個数と考えてもいいいことになります。
電子軌道について
次に、原子番号に対する電子軌道の埋まり方ですが、まず電子軌道は殻構造をとっていて、主殻と副殻からなります。主殻は、K殻、L殻、M殻、N殻、O殻、P殻、Q殻、… からなっていて、順に、1,2,3,4,5,6,7,…という数（主量子数と呼ぶ）が割り当てられています。
この主殻の中身はs軌道、p軌道、d軌道、f軌道、g軌道、h軌道、j軌道、…という副軌道で構成されているのですが、これはK殻はsだけ、L殻はs,p、M殻はs,p,d、N殻はs,p,d,f、O殻はs,p,d,f,g、P殻はs,p,d,f,g,h、Q殻はs,p,d,f,g,h,jからできています。s,p,d,f,g,h,jの各副軌道は、それぞれ1個、3個、5個、7個、9個、11個、13個の軌道があります。したがって、K殻、L殻、M殻、N殻、O殻、P殻、Q殻には、結局、それぞれ電子軌道が1、1＋3＝4、1＋3＋5＝9、1＋3＋5＋7＝16、1＋3＋5＋7＋9＝25、1＋3＋5＋7＋9＋11＝36、1＋3＋5＋7＋9＋11＋13＝49あることになります。面白いことに、主殻に含まれる電子軌道の総数は、前述した主殻の番号（主量子数）を2乗した数になっています。つまり、主殻の番号1,2,3,4,5,6,7,…を2乗してできる1,4,9,16,25,36,49,…という数になっています。この各軌道ごとに電子はアップとダウンという2個が格納されますから、各主殻に最大限格納される電子の個数は、2,8,18,32,50,72,98,… になります。
元素周期表に対する電子の埋まり方
さて、問題はここからなのですが、この電子の埋まり方がちょっとややこしいのです。要するに、主殻の中の副殻を順に埋めていくわけではないのです。普通は、順に、
1s
→2s→2p
→3s→3p→3d
→4s→4p→4d→4f
→5s→5p→5d→5f→5g
→6s→6p→6d→6f→6g→6h
→7s→7p→7d→7f→7g→7h→7j
と埋まっていくと考えがちですが、どうもこの階層構造を右斜め上から左斜め下へと埋まっていくようなのです。つまり、
1s
→2s
→2p→3s
→3p→4s
→3d→4p→5s
→4d→5p→6s
→4f→5d→6p→7s
→5f→6d→7p→8s
と埋まっていきます。したがって、電子が埋まっていくこの順序に基づいて、元素周期表の各元素は並べられているというわけです。
この電子の埋まり方によれば、今回日本の理研が命名権を獲得した113番目の元素は、7p軌道の途中まで電子が埋まっている元素ということになります。
悲願の日本命名の元素
今回初めて日本が命名権を獲得した113番元素ですが、これまで日本人が発見した元素は何一つなかったかと言うと、過去には惜しくも命名権を逃した元素があったようです。それが幻の元素「ニッポニウム」です。小川正孝(1865～1930)さんが発見され、当時原子番号43の元素だと思われていました。ところが、Ｘ線分光装置が手に入らず、正しい測量ができませんでした。これは後に原子番号75のレニウムだとわかったそうです。今回の113番元素は、まさに悲願の日本発の元素というわけで、果たしてどんな名称になるでしょうか。巷では「ジャポニウム」と命名されるのではないかと噂されています。
以前紹介しました東京上野の国立科学博物館の常設展のB3Ｆで、この元素周期表のちょっとリアルな展示を見ることができますので、もしよろしかったら是非訪れてみて下さい。
もちろん、滋賀県から京都・米原経由の新幹線で、東京上野の国立科学博物館にお出かけになる方は、是非お近くのチケットライフの店舗にて、新幹線のチケットをお求めください。各店のスタッフ一同、みなさんのご利用をお待ちしております。