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＜ミクロの世界とミクロな粒子＞


Update 2024.09.05
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ミクロの世界

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物質粒子力の伝達粒子力の作用先力の種類力の強弱：目安力の作用範囲
原子光子原子核・電子電磁気力弱い：0.01原子核からの距離の二乗に反比例
原子核中間子陽子・中性子強い力(核力)強い：110-13cm：水素原子核(陽子サイズ)
素粒子グルーオンクォーク強い力(色の力)
弱ボソンフェルミ粒子弱い力はるかに弱い：10-14～10-710-16cm：水素原子核の1/1000
物質粒子　　：物の成り立ちの基本の粒子
力の伝達粒子：物を動かす力の基本の粒子　…　力は素粒子によって媒介される（交換：放出⇔吸収）
力の作用先　：複合粒子(陽子,中性子)、クォーク(u,d,s)、フェルミ粒子(クォーク,レプトン)
電磁気力　　：原子同士を結び付け分子を作る力も電磁気力です
弱ボソン　　：弱い力はフェルミ粒子以外に、ハドロン（バリオン・メソン）にも作用する

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ミクロの世界の力の種類
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核力：中間子はグルーオンが媒介する強い力の「強い残留力」を近接核子に伝える（近づき過ぎると斥力になる！）
核力は遠距離では引力ですが、至近距離では強い斥力になることが分かってきましたが、これを核力の斥力芯と呼びます
この斥力芯のおかげで、陽子や中性子が近づきすぎず、原子核は比較的低密度に保たれています（引力で潰れずに済む）
　　　　　　　　　｜←─-陽子-─→｜　　　｜←─中間子─→｜　　　｜←─中性子─→｜
　　　　　　　　　｜○⇔ℓℓℓℓℓℓ⇔○｜⇔⇔⇔｜○⇔ℓℓℓℓℓℓ⇔●｜⇔⇔⇔｜○⇔ℓℓℓℓℓℓ⇔○｜
　　　　　　　　　｜　グルーオン　｜　　　｜　グルーオン　｜　　　｜　グルーオン　｜
　　　　　　　　　　　　　　　陽子・中性子の中の３つ目のクォーク○は省略
強い相互作用は、２つの範囲で観測でき、２つのフォースキャリア(中間子、グルーオン)により媒介される
大きいスケール（約1-3 fm）では、陽子と中性子（核子）を結合させて原子核を形成する力（中間子が運ぶ力）である
小さいスケール（核子の半径約0.8 fm以下）では、クォークを結合して陽子、中性子などのハドロン粒子を形成する力
である（グルーオンが運ぶ色の力(color force)）
大きいスケールでは、中間子が陽子や中性子間を行き来するとき、
陽子や中性子の中のグルーオンがクォーク間を行き来して媒介される強い相互作用が核力を生みます
π中間子はクォーク○と反クォーク●の対で、グルーオンにより結びついている
大きいスケールでは、コイル状のバネのように強い力が働く：離れるほど引力が強くなり、近づくほど斥力が強くなる

色の力：色力線の閉じ込めで核子の内部でしか働かない、電磁気力：原子の大きさの数倍以内の範囲で働く
弱い力：粒子の種類を変える力など、力には以上３つの力のほか、マクロの世界を支配する「重力」がある

[陽子のパートン構造]：陽子をより短い時間の尺度で観測すると、内部構造が現れる
強い相互作用によって、グルーオンの放射やクォーク・反クォークの対生成が起こり、
クォーク・反クォーク・グルーオンという素粒子(＝パートン)の複合体になっている
強い力の基本結合：グルーオン放射、グルーオン分裂、グルーオン自己結合
グルーオンは自らが色荷をもっているため、グルーオン同士も相互作用します
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素粒子に働く力

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相互作用クォークレプトン備考
荷電レプトンニュートリノ
電磁気力○○×荷電レプトン：(e±,μ±,τ±)
強い力　○××クォーク　　：(u,c,t),(d,s,b)
弱い力　○○○ニュートリノ：(νｅ,νμ,ντ)
重力　　○○○○：力を及ぼす、×：力を及ばさない
レプトン：色荷無し、ニュートリノ：電荷無し

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原子内の電気の力
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原子核と電子は、電気力を運ぶ光子をやりとり（放出⇔吸収）して引き合う
光子が互いに電気力を伝え、＋の原子核と－の電子を電気力で引寄せさせる
　　マクロの世界　　　　　　　　　　　　　　　　　ミクロの世界
　　従来の電磁気学─────→場の量子化────→量子電気力学
　　電荷と電場の相互作用　　　力も飛び飛び　　　　光子の交換

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場の量子化のもとでは光子の交換
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粒子同士は粒子間で力の伝達粒子をキャッチボールして力を伝えると考えます
キャッチボールを続けるには、ボールが届く相手のそばにいなければなりません
キャッチボールすること自体が粒子同士をつなぐ接着剤のような役目を果たします
力の伝達粒子がボールであれば、互いに向き合って受け取ると斥力になります
力の伝達粒子がブーメランであれば、背中合わせで受け取ると引力になります
力が引力になるか斥力になるかは、交換する仮想量子のスピンによって決まります
スピン１の光子は同符号の荷電粒子同士を反発させ異符号の荷電粒子同士を引寄せる
　　光子＝ボール(斥力)：＋＋／－－、光子＝ブーメラン(引力)：＋－／－＋
　　　　　同符号の荷電粒子同士はエネルギーが高くなるので斥力が働く
　　　　　異符号の荷電粒子同士はエネルギーが低くなるので引力が働く
　　　　　物理現象はエネルギーが低い方向へと流れるため光子の交換
　　　　　でエネルギーがより低い安定した状態に移行しようとします
光子の交換＝量子化された場を介して相互作用するという意味(場が力を伝えている)
　　　　　　　　　　磁石の場合（光子は電磁気力を伝える）
　　　　　　　　　　　　電気の力＋磁気の力＝電磁気力
　　　　　電流を導線に流すと導線のまわりに磁場ができる
　　　　　磁石をコイルに出し入れするとコイルに電流が発生する（電磁誘導）
　　　　　磁石は電子のスピン：電子が自転する（環状の電流）と磁石になる
　　　　　電子１個にもＮ極とＳ極があり磁気を帯びています
磁石の場合、光子がＮ極の電子とＳ極の電子を行き来することで引力が生じます
磁石の場合、光子が同じ極の電子の間を行き来することで反発力（斥力）が生じます

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引力・斥力についてのクーロンの法則
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　　　　　　　　　　　　ｑ1ｑ2　　　　　　　　 ｍ1ｍ2
　　　　　　　　　Ｆ＝ｋ───　　　　　Ｆ＝Ｇ───
　　　　　　　　　　　　　ｒ2　　　　　　　　　 ｒ2
　　　　　　　　　　　ｋ：クーロン定数　　　Ｇ：万有引力定数
　　　　　　　　　Ｆ：力、ｑ：(±)電荷量、ｍ：質量、ｒ：距離
クーロンの法則の式は万有引力の法則の式に似ているが、万有引力には斥力がない

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電子や核子の軌道運動
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原子核の周りを回る電子の波は１周の軌道の長さが波長で割り切れる周回位相一致
　　　　　原子内の電子の軌道　：Ｋ殻・Ｌ殻・Ｍ殻…各軌道グループ
　　　　　原子核内の核子の軌道：Ⅰ殻・Ⅱ殻・Ⅲ殻…各軌道グループ
原子核の外側を回る複数電子も原子核の内側を回る複数核子も各軌道を回っている
各軌道には粒子の定員がありエネルギーの低い内側の軌道から順に満席にしていく
各電子殻に存在する軌道は、外側になるほど数が増え、Ｋ殻にはs軌道、Ｌ殻にはs,
p軌道、Ｍ殻にはs,p,d軌道、Ｎ殻にはs,p,d,f軌道 … が存在する
ジャンプ先の軌道はすぐ外側とは限らないが粒子で満席でなく空席がある条件では
特定軌道の粒子に光子を衝突させると、粒子は光子を吸収して、外側の軌道に移る
外側の軌道にジャンプした粒子は、暫くすると光子を放出して、内側の軌道に戻る
粒子が不連続に原子核の周回軌道を変える現象（ジャンプ）を量子飛躍と言います

原子内の電子の軌道や運動を調べる方法：原子分光法
原子核内の核子の軌道運動や自転運動、核子の集団運動を調べる方法：原子核分光法

　・電子は放電や光のエネルギーを受けると、原子核から遠い外側の軌道に移る
　・外側の軌道に移った電子が再び内側の軌道に移るとき、
　　内外の軌道のエネルギーの差を光子として放出する
　　　　　　　　　　　　外側の軌道→Ｋ殻…紫外線
　　　　　　　　　　　　外側の軌道→Ｌ殻…可視光線
　　　　　　　　　　　　外側の軌道→Ｍ殻…赤外線
　　高エネルギー粒子がＫ殻の電子に衝突すると、電子は原子の外に飛び出して、
　　Ｋ殻の軌道は空席ができ、外側のＬ殻やＭ殻の軌道の電子がＫ殻の軌道の
　　空席にジャンプし、それぞれの軌道のエネルギー差の分の光子を放出する
　　　…　ＫＸ線と言う特性Ｘ線

　　特定の光子(Ｅ＝ｈν)を原子内に照射すると、外側軌道の電子が内側軌道
　　に移り、入射光子と同位相・同波長の放射光(Ｅ＝ｈν)を放出する（誘導放出）
　　誘導放出を利用して位相と波長のそろった強い光、レーザー光が得られる

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原子核と電子の電気力
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電子のエネルギーは外側の軌道の電子ほど軌道特有のエネルギーが高い
原子核と電子の結合エネルギーは内側ほどエネルギーが高いので、回転
遠心力と平衡を保つために、近いほど速く回り、遠いほどゆっくり回る
原子番号が増えるほど電子を引きつける原子核の電気の力も大きくなる
化学反応では原子と原子が外側の電子を交換したり共有して分子を作る

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強い力(核力)
陽子と中性子は相互にπ±中間子を放出・吸収することによって核力が発生する
電荷の衣のやりとりで「陽子→中性子」「中性子→陽子」のように状態が変化する
　　　　　　　　　　　　　　　　　→π+→
　　　　　　　　　　　　　　　陽子　⇔　中性子
　　　　　　　　　　　　　　　　　←π-←
　　　　　　　　　陽子→π+→中性子　　中性子→π-→陽子
　　　　　　　　　 ↓　　　　　↓　　　　↓　　　　　↓
　　　　　　　　 中性子　　　 陽子　　　陽子　　　 中性子
陽子同士や中性子同士はπ0中間子を放出・吸収することによって核力が発生する
　　　　　　　　　 陽子→π0→陽子　　中性子→π0→中性子
原子核の中ではこれが繰り返されている(電荷の状態が変わっても核子の本質は不変)
陽子とマイナスの中間子がセットで中性子、中性子とプラスの中間子のセットで陽子
元：中間子が＋の電荷を運んで陽子が中性子に－の電荷を運んで中性子が陽子になる
先：中間子が＋の電荷を運んで中性子が陽子に－の電荷を運んで陽子が中性子になる
クォーク３個の質量は陽子１個の質量の１％以下
陽子の質量の99％は強い力のエネルギーによる質量←Ｅ＝ｍｃ2で換算すると相当する

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中間子雲モデル
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原子核の中では核子同士が中間子を交換して核力が生じていますが、核子が単体で存在
している場合でも、核子が中間子を放出して自己吸収するという過程が起こり得、この
過程では中間子が核子を取り巻く雲のように分布すると考えられる（中間子雲モデル）
陽子は一時的に中間子を放出し中性子に姿を変え、その後中間子を吸収し再び陽子に
戻ることができます
中間子雲モデルでは、中間子が雲のように中性子を覆う状態として陽子を捉えます

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クオークを結ぶ色の力
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[パウリの排他律]：物質を構成する粒子は、同じ種類が１つの場所に同時には存在しえない
陽子（uud:uクォーク２個とdクォーク１個）、中性子（udd:uクォーク１個とdクォーク２個）
では、同じ種類のクォークが同じ場所で同時に重なり合って１つのハドロンを構成している
排他律違反を回避する色という属性が互いに異なる３色（赤、青、緑）のクォークを考えた
３種のクォークで構成する陽子や中性子などのバリオンは３色がそろえば白（無色）になる
補色であるシアン（反赤）、イエロー（反青）、マゼンタ（反緑）を反クォークの色として
メソンもやはり白と表現できる：赤クォークは反赤クオークと合体して、白いメソンになる
これでクォークに色があっても、バリオンやメソンには色がないことが自然に表現できます
　　　陽子(uud)の色の例：u赤u青d緑
　　中性子(udd)の色の例：u赤d青d緑
π+中間子(u反d)の色の例：u赤d反赤
量子色力学(QCD)
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色の力を伝えるグルーオン
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クオーク同士を結び付けているのは色の力で、色の力を伝えるのはグルーオン
３色（赤、青、緑）のクォーク→グルーオン→３色（緑、青、赤）のクォーク
中間子（赤、反赤）のクォーク→グルーオン→中間子（青、反青）のクォーク
クオークは色の組(受取る色と渡す色)をもつグルーオンを通して色を交換する

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グルーオンによる色の交換
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赤クオーク→(赤,反緑)グルーオン放出：渡す色(赤)と受取る色(緑)→緑クオーク
　　　　　　　　　　　　　　　　↓
緑クオーク→(赤,反緑)グルーオン吸収：受取る色(赤)と渡す色(緑)→赤クオーク
グルーオンは与える色ともらう色の組み合わせで８種ある(正方行列３×３＝１＋８、１：行列の対角成分)
(赤,反青)、(赤,反緑)、(青,反赤)、(青,反緑)、(緑,反赤)、(緑,反青)、(赤,反赤)、(青,反青)、(緑,反緑)
の９種で、最後の３つは、そのうち任意の２つでもう１つを表せるので、グルーオンの色は８種類とされる

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クォークの閉じ込め
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長さに比例した色の力：ゴムひも状の色力線の閉じ込めでクォークやグルーオンは単独では取り出せない
光子を衝突させてひもが伸びても、核子内からのクォークとの間に、クォークと反クォークの対が生まれ、
ひもが切れて、反クォークと核子内からのクォークが合体して中間子として放出され、クォークは元に戻る
理由：力線のエネルギーよりも新たなクォークと反クォークの対を生成したほうがエネルギー的に安定する
漸近的自由性：クォークの色や色力線(グルーオン)による色の力は離れるほど大きくなり近いほど弱くなる
クォーク同士が近くなると（ひもが弛み）色の力が働かなくなり、近距離内でクォークは自由に動く訳です
　　○：u 　○　　　　　　○　　　旧　　　　○　　新　　　旧　　　　○　　　　　　　　　　
　　　　　　　　○　⇒　　　　　　○　⇒　　　　　○　◎　○　⇒　　　　○　　◎　○
　　●：d 　●　　　　　　●　　　　　　　　●　　 u　反u  　　　　　●　　　
　　　　　　陽子　　　　　　　→→　　　　　　　対が生まれ　　　　　陽子　　　π0中間子放出
　　　　　　　　　　　　　ひもが伸びる　　　　　ひもが切れる
　　　　　　　　　　　　　エネルギーの蓄積　　　蓄積エネルギーで真空から対が生まれる

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弱い力
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弱い力＝「ベータ崩壊を引き起こす力」＝「電荷を運ぶ」粒子
弱い相互作用は中性子と陽子を互いに入れ換えることができる
弱い相互作用は電子とニュートリノを互いに入れ換えることができる
①電子から出た－電荷の弱ボソンは陽子に入り、電子は－電荷を失いニュートリノになり
　　　　陽子は－電荷の弱ボソンを吸収して、電荷が中和され中性子になる:EC
　　　 e-──→νe　　p+──→n　　　　　W　　　　　　　　　　 　 W
　　① ↓W-　　　　② ↓W+　　　　③ p+──→n＋e+＋νe　　④ n ──→p+＋e-＋νe
　　　 p+──→n　　　e-──→νe 　　(β+崩壊)　　　　　　　 (β-崩壊)
　　　(EC:電子捕獲)　(EC:電子捕獲)
②陽子から出た＋電荷の弱ボソンが電子に入り、陽子は＋電荷を失い中性子になり
　　　　電子は＋電荷の弱ボソンを吸収して、電荷が中和されニュートリノになる:EC
③陽子が　弱い力の作用で＋電荷を失い中性子になり、陽電子とニュートリノを放出:β+
④中性子が弱い力の作用で＋電荷の陽子になり、　　　電子と反ニュートリノを放出:β-
⑤中性子の周囲にある電子ニュートリノがＷボソンを放出して
　　　　中性子の中のdクォークがＷボソンを吸収してuクォークに変わり、
　　　　中性子は陽子になり、電子ニュートリノは電子になる(NC:ニュートリノ捕獲)
　　　　n(udd)＋νe──→W──→ p+(uud)＋e-　　…　④変形、①(EC)の逆反応
※ニュートリノ・反ニュートリノのスピン
　　　　　ニュートリノと　電子の組は常に左回りにスピンして進む（下向き）
　　　　反ニュートリノと陽電子の組は常に右回りにスピンして進む（上向き）
　　　　　　　　　　W　　　　　　　　　　　　　　　　　W
　　⑥ p+(uud)＋e-──→n(udd)＋νe　　⑦ p+(uud)＋μ──→n(udd) ＋ νμ
　　　　　　　　W　　　　　　　　　　　　　　 W
　　⑧ μ＋νe──→νμ＋e-　⑧変形： ⑨ μ──→νμ＋e-＋νe
⑥⑦陽子(uud)と中性子(udd)のβ変換は核子のuクォークとdクォークの変換:(u→d)
⑥⑦はクォークとレプトン組の変換、⑧はレプトン組の変換、⑨はミュー粒子変換
⑥⑦⑧の各組は一つを反転させて左辺から右辺に、右辺から左辺に移す変形が可能
「カミオカンデ」で反ニュートリノを観測、反ニュートリノが弱い力で陽電子に変化
　　　　　　　　　　　　　　　　　W（反ニュートリノが放出、陽子が吸収）
　　⑥変形＝③変形：νe＋p+(uud)──→e+＋n(udd)
弱い力は、太陽が燃える際に必要、放射性同位体のベータ崩壊の際にも必要
中間子の場合、
⑦式でdクォークを左辺に移して反dクォークに、μ粒子を右辺に移して反μ粒子にする
　　　　　　　　　　 W
　　u反d(π+中間子)──→νμ＋μ　…　弱い力の作用でπ+中間子が反μ粒子に変わる
ストレンジ粒子は弱い力の作用で陽子や中性子になる：ラムダ粒子(uds)→uud/udd
電子・陽電子間、μニュートリノ・電子間に電荷を変えない中性弱ボソン(Z)が作用する

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クォーク組み換え反応
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①光子＋陽子(uud)　→　ラムダ粒子(uds)＋Ｋ+中間子(su)
②Ｋ-中間子(us)＋陽子(uud)　→　π-中間子(ud)＋シグマ+粒子(uus)
③ハイパー核　→　通常の原子核
　　　　　　　　　　　　　　　W
　ラムダ粒子(uds)＋陽子(uud)──→陽子(uud)＋中性子(udd)

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場の理論
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場の古典論：量子の考え方が入っていない場の理論
　　　　　　電場・磁場の理論
場の量子論：波も粒子も量子的な場の振動であり、同じものである
　　　　　　相互作用を媒介するゲージ粒子は場の振動である
重力相互作用を媒介する重力子は未発見であり、
重力相互作用を場の量子論で記述することもできていない

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重力理論の課題
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マクロの世界の重力
　　ニュートン力学は、「(重力が十分に大きい)巨視的なスケールで、かつ光速よりも十分遅い速さ
　　の運動を扱う際の、無矛盾・完結的な近似理論」で「絶対時間」と「絶対空間」を前提とした
　　アインシュタインの「特殊相対性理論」は、重力の影響を考えない特殊な環境下において、
　　「時間の進み方や空間の大きさは『絶対的』なものではなく、観測者の置かれた状況によって
　　変わる『相対的』なものである」とする物理理論です
　　アインシュタインの一般相対性理論は３次元空間と１次元時間をひとつの４次元時空に統合し、
　　重力を時空の曲がりの幾何学として記述する
　　これで多くの重力現象の説明や予言に成功してきた
　　また2015年には、ブラックホール連星が合体する過程からの重力波が史上初めて直接観測され、
　　強い重力場での一般相対性理論の検証が一段と進歩した今後、さらに多くの重力波源が観測され、
　　様々な極限的状況下の一般相対性理論の性質がより明らかになると期待されている
ミクロの世界の重力
　　実験的には0.01ミリメートルより小さい距離では重力がどのように働くかは我々は知らない
　　それより小さい距離では重力が我々のまったく予想していなかった振る舞いをしているかもしれない
　　たとえば小さい距離では隠れた次元があるかもしれない
　　宇宙初期には全く異なる重力理論が宇宙を支配していたかもしれない
　　超弦理論やＭ理論など多くの理論はそのような余剰次元の存在や重力理論の修正を示唆する
　　余剰次元が宇宙のいたる所に存在していて我々には見えないだけなのかもしれない
　　余剰次元は直接に見ることはできないが、
　　高エネルギー実験や宇宙観測から間接的証拠を得られるかもしれない
宇宙の大規模構造の重力
　　数十億光年といったような大きな距離での重力も一般相対性理論とは異なるかもしれない
　　最近の精密観測は宇宙の膨張が加速していることを明らかにした
　　これは、もし一般相対性理論が正しければ、
　　宇宙の70％以上が見えない、しかも圧力が負のエネルギーで満たされていることを意味する
　　このエネルギーは暗黒エネルギーと呼ばれているが、その正体はまったくわかっていない
　　アインシュタイン理論を大きな距離で変更して暗黒エネルギーの謎を解明できないか、探究が続く

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力の統一の歴史

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４つの力（電磁気力、弱い力、強い力、重力）を一つの理論で説明したい
ニュートン力学＝(重力：ケプラー)＋(力学：ガリレオ)
電磁気学　　　＝((電気＋磁気)：ファラデー、マクスウェル)
量子力学　　　＝(原子、ミクロの世界)
量子電気力学　＝電磁気力＋ガンマ線(電磁波)
電弱統一理論　＝電磁気力＋弱い力＋ベータ線(電子)
大統一理論　　＝電磁気力＋弱い力＋強い力＋アルファ線(ヘリウムの原子核)
超弦理論　　　＝電磁気力＋弱い力＋強い力＋重力
相対性理論：アインシュタイン
特殊相対性理論＝ニュートン力学と電磁気学を統一
一般相対性理論＝相対性理論に重力を組み込む
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ミクロの世界のまとめ

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力の伝達粒子力の作用先力の種類力の働き力の源
光子原子核・電子電磁気力原子核と電子間の電気力電荷
中間子陽子・中性子強い力(核力)陽子と中性子間の核力色荷(カラー)
グルーオンクォーク強い力(色の力)クォーク同士の色の力
弱ボソンフェルミ粒子弱い力電荷を運ぶ(β変換)弱荷＝弱アイソスピン

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ミクロな粒子

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素粒子フェルミ粒子
(基本粒子)		物質粒子第１世代第２世代第３世代電荷スピン
クォーク
(ハドロン構成粒子)		u(アップ)c(チャーム)t(トップ)2/31/2
d(ダウン)s(ストレンジ)b(ボトム)-1/3
レプトン
(軽粒子)		電子e-,陽電子e+ミュー粒子μ±タウ粒子τ±±１
電子ニュートリノνeミューニュートリノνμタウニュートリノντ０
ボース粒子力の伝達粒子電磁相互作用弱い相互作用強い相互作用電荷スピン
ゲージ粒子
(力の粒子)		フォトン
(γ:光子)		弱ボソン
(Ｗ±,Ｚ)		グルーオン
(ｇ:膠着子)		(注１)１
粒子に質量を与える粒子電荷スピン
スカラー粒子ヒッグス粒子(Ｈ)００
複合粒子ハドロン
(強粒子)		バリオン
(重粒子)		核子(陽子ｐ,中性子ｎ),デルタ粒子⊿(計算)(注２)
ハイペロン(ラムダ粒子Λ,シグマ粒子Σ,グザイ粒子Ξ,オメガ粒子Ω)(計算)(注３)
メソン(中間子)π,η,ρ,ω,φ,J/ψ,Ｙ,Ｋ,Ｂ,Ｄ(計算)(注４)
その他原子核,ハイパー核,原子,分子,イオンなど
注１：Ｗボソンは電荷±１、それ以外のゲージ粒子は電荷０
注２：核子はスピン1/2、デルタ粒子はスピン3/2
　　　スピンが3/2ということは、デルタ粒子を構成する３つのクォークは、３つのうち１つが反対の
　　　方向を向いている核子とは異なり、全て同じ方向を向いていることを示している
　　　デルタ粒子は強い力の作用で瞬時に核子に変わる
注３：ハイペロンはストレンジ粒子とも言われ、奇妙さに応じsクォークを１～３個もつ
　　　オメガ粒子はスピン3/2、それ以外のハイペロンはスピン1/2
　　　ハイペロンは弱い力の作用で中間子を放出して、ゆっくりと核子に変わる
注４：擬スカラー中間子はスピン0：π中間子,η中間子など
　　　ベクター中間子はスピン1：ρ中間子,ω中間子,φ中間子,J/ψ中間子,Υ中間子など
　　　Ｋ,Ｄ,Ｂ中間子は荷電の有無や構成クォ―クで擬スカラー中間子またはベクター中間子に属す
上記以外：仮説上の素粒子(重力子など),仮説上の複合粒子,準粒子他多数のハドロンが発見されている
核子や中間子のように核力を感じる物質粒子を「強粒子（ハドロン、hadron）」と総称
核力は感じないものの、電磁気力と弱い力を感じる物質粒子を「軽粒子（レプトン、lepton）」と総称

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物質の大きさ
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　○生体の構成：生き物─→器官─→組織─→細胞小器官─→組織化された高分子─→分子や原子
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　オルガネラ　高分子：タンパク質,核酸,多糖類
 分子の大きさ 
水分子
1千万分の１cm
10-7cm
／
→
＼
 原子の大きさ 
酸素原子
１億分の１cm
10-8cm
／
→
＼
原子核の大きさ
酸素原子核
１兆分の１cm
10-12cm
／
→
＼
 核子の大きさ 
陽子
10兆分の１cm
10-13cm
／
→
＼
素粒子の大きさ
クォーク
１京分の１cm
10-16cm以下
　10倍に拡大　 ｜　　　　　　　　↑｜　10倍に拡大　　｜　　　　　　　　↑↑
　　　　　　　 ｜　　　　　　　　｜｜　　　　　　　　└→１千倍に拡大→┘｜
　　　　　　　 ｜　　　　　　　　｜｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　 └→１万倍に拡大→┘└─────→１万倍に拡大─────→┘
　　　　【ピンポン玉：水素原子】　≒　【地球：ピンポン玉】
　　　　　　　　【原子：原子核】　≒　【甲子園球場：１円玉】
原子・分子の世界：電子を動かす電気の力を伝える光子、電子と光子が主役
原子核・素粒子の世界：太陽や宇宙や超高温・高エネルギー現象、究極の粒子
原子核の大きさは原子の１万分の１、原子核の比重は原子の比重の数兆倍程度

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素粒子発見の歴史
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陰極線の発見─┬→電磁波の発見→Ｘ線の発見→放射線の発見→原子核の発見
　　　　　　　│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（原子にα線照射）
　　　　　　　└→電子の発見（陰極線は電子）
　　　陽子の発見→中性子の発見→中間子の発見→ニュートリノの発見
　　　反陽子の発見→クォークの存在予言と発見→ヒッグス粒子の発見
　　　電子以外の素粒子は20世紀に発見、ヒッグス粒子は2012年に発見

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核子は複合粒子でクォークが素粒子
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核子は３つのクォークからなる複合粒子、中間子はクォークと反クォークからなる複合粒子
クォーク：((u,d),(c,s),(t,b))、反クォーク：((反u,反d),(反c,反s),(反t,反b))

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素粒子・ハドロンの電荷
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素粒子の電荷：(u,c,t)クォーク＝2/3、(d,s,b)クォーク＝-1/3、(e,μ,τ)＝±1、ν＝0
ハドロンの電荷：陽子(uud)＝1、中性子(udd)＝0、デルタ粒子(uuu,uud,udd,ddd)＝(2,1,0,-1)、
π+中間子(u反d)＝1、π-中間子(d反u)＝-1、π0中間子＝(u反u)or(d反d)＝0
ラムダ粒子(uds)、シグマ粒子(uus,uds,dds)、グザイ粒子(uss,dss)、オメガ粒子(sss)
　　　　Λ(　0)、　　　　Σ(　1,　0, -1)、　　　　Ξ(　0, -1)、　　　　Ω( -1)

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反物質
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粒子と電荷が反対の反粒子が出会うと中間子や光子を放出して消滅する(クォークと反クォークが消滅する)
中間子はクォークと反クォークからなり、中間子と核子、＋中間子と－中間子が別の核子や別の中間子になる
陽子(uud)＋π-中間子(d,反u)＝中性子(udd)、中性子(udd)＋π+中間子(u,反d)＝陽子(uud)
陽子(uud)＝中性子(udd)＋π+中間子(u,反d)、中性子(udd)＝陽子(uud)＋π-中間子(d,反u)
Ｋ+中間子(u,反s)＋Ｋ-中間子(反u,s)＝Φ中間子(s,反s)
バリオン：クォーク３つでできた白色状態、バリオンの反粒子反バリオン：反クォーク３つでできた白色状態

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粒子の量子数
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原子や分子、素粒子などの量子状態を表わす数値として、量子力学で使われる各種の「量子数」がある
　　　量子状態とは電子のような粒子を見分けるための量子数の組み合わせ（＝個体識別データ）
電子の量子状態を決める量子数は次の４種類：電子が原子核のまわりを公転する電子軌道を決定する①②③
　　　①主量子数n　：軌道の大きさ（原子核・電子間の距離、電子殻：K,L,M,N,…殻）n＝1,2,…,7
　　　②方位量子数l：軌道の形　　（円・楕円、電子軌道の種類：spdf軌道）l＝0,1,2,…,n-1
　　　③磁気量子数m：軌道の向き　（軌道の立体的な角度：電子軌道は磁場の中にある）-l≦m≦l
　　　④スピンs　　：磁気的な性質（電子の自転？回転角運動量？電子の磁気？）+1/2,-1/2
粒子には電荷や性質(内部量子数)の符号が反対の粒子(＝反粒子)があるが、区別のない光子などもある
内部量子数(運動量や座標によらない量子数)：フレーバー(６種のクォーク),電荷,バリオン数,レプトン数等
２種のクォークは３世代で６種のフレーバー、３種の色の状態、スピンが２種の回り方で計36種類の状態です

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素粒子のスピン
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フェルミ粒子：クォーク,レプトン,核子(陽子,中性子)　　…　スピンが半整数になるのがフェルミオン
ボース粒子　：ゲージ粒子,重力子,ヒッグス粒子,中間子　…　スピンが整数になるのがボソン　　　　
パウリの排他律：ボース粒子は重ねられるけれどフェルミ粒子は重ねられない(スピンが性格を決める)
・ボース粒子　：２個以上の粒子が同じ状態をとれる　（同じ位置に重ねられる、　空間的大きさがない）
・フェルミ粒子：一つの状態を１個の粒子しかとれない（同じ位置に重ねられない、空間的大きさがある）

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超流動・超伝導
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ボース粒子は極低温でボース・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ理論）を起こす
　　ある転移温度以下で巨視的な数のボース粒子がある１つの１粒子状態に落ち込む相転移現象
　　ボース粒子であるヘリウム４はその凝縮を起源とする超流動状態（粘性ゼロ）を示す
フェルミ粒子２個は疑似ボース粒子としてボース・アインシュタイン凝縮を起こす
　　電子の対はその凝縮を起源とする超伝導状態（電気抵抗ゼロ）を示す　…　電荷を持った粒子の超流動
　　ヘリウム３の対はその凝縮を起源とする超流動状態を示す

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クォークのスピン
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素粒子のスピンは大きさと向きをもち、クォークのスピンの大きさは1/2,向きは右回りが(＋),左回りが(－)
核子のスピン：核子内の３つのクォークのうち２つは右回り(＋)、１つは左回り(－)で、全体で右回り(＋)の
スピン1/2です：＋1/2＋1/2－1/2＝＋1/2　…　uクォークが＋、dクォークが－ではなく、各々＋か－がある
ラムダ粒子はuクォークとdクォークのスピンが逆で打ち消しあいラムダ粒子のスピンはsクォークのスピンです
デルタ粒子は３つのクォークのスピンの向きが同じ(左/右)3/2
核子は特定のエネルギーの光子を吸収して左回りの１つが右回りになりスピンの向きが同じデルタ粒子になる
電荷がありスピンしているクォークはミニ磁石で、クォーク磁石が３つ合わさって核子の磁石になる

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電子のスピン
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電子のスピンは上向きスピンと下向きスピンの２種類
パウリの排他原理：ひとつの電子軌道に入れる電子は２個までで、そのスピンは逆でなければならない
同じ量子状態の共有を禁ずるのがパウリの排他原理
最低ひとつの量子数は違っていなければならない、軌道が同じならスピンは異なってなくてはならない
ひとつの電子軌道に複数の電子が入るにはスピンが違っていなければならないしスピンは２通りしかない
ひとつの電子軌道に入れる電子は互いにスピンが逆のふたつだけ
電荷がありスピンしている電子はミニ磁石です（電流と磁界の向きはアンペールの右ねじの法則に従う)
上向きスピンは下から見て右回り(＋)でＮ極が上、下向きスピンは下から見て左回り(－)でＮ極が下
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ　　
　　　　　　　　　　　　　→　　　　　▲　　　　　　　　　　　　　　　　←　　　　　△　　
　　　+1/2　　　　　　　↑○↓　　　　◎　　　　　　-1/2　　　　　　　↓○↑　　　　◎　　
　　　　　　　　　　　　　←　　　　　▽　　　　　　　　　　　　　　　　→　　　　　▼　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ　　
「電流と磁界に関する法則」と「電磁誘導に関する法則」は別ものなので混同しないようにしましょう
アンペール、ビオ・サバール　　ファラデー、フレミング

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クォークの色は３色
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デルタ++粒子は３つのクォークが、同じ電荷+2/3の状態、同じuのフレーバーの状態、同じスピンの向きで、
同じ場所にあり、パウリの排他原理に違反しないためには３つの異なる色の状態が必要になる
クォークの新しい３種の状態として、赤・青・緑の３原色が考えられた
オメガ-粒子内の３つのクォークも同じsフレーバー、同じ-1/3電荷ですが、３つの異なる色の状態をもつ
核子・デルタ粒子・ハイペロンなどの重粒子は３つのクォークが３つの色の衣を持ち、中間子はクォーク
・反クォークが２つの補色関係の色の衣をもつ（クォークや中間子の色の衣は時々衣を交換する）
クォークの閉じ込め：クォークが単独では存在しないのは、色は単色では存在できず、無色の粒子だけが
単独で存在できる事や、単独の分数電荷では存在できず、整数電荷だけが単独で存在できる事を意味する

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フェルミ粒子の世代
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フェルミ粒子：軽い順に第１世代,第２世代,第３世代と呼ぶが、現在の原子の構成要素は第１世代のみ
他の世代は、宇宙創成時に存在したが現在の地球にはなく、加速粒子を衝突させて、人工的に作られる
ミュー粒子は、宇宙線が大気中の原子と衝突して生成され地表に到達する２次宇宙線として観測される
世代が高い粒子は、それより前の世代の対応する粒子よりも大きな質量を持つ　…　質量階層
各世代間は、粒子の質量のみ異なり、全ての基本相互作用および量子数は同一

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ハイペロンとハイパー核
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核子と高エネルギーの中間子や光子の衝突でハイペロン(ストレンジ粒子)が作られる
ラムダ粒子(uds),シグマ粒子(uus,uds,dds),グザイ粒子(uss,dss),オメガ粒子(sss)
核子内の３つのクォークのうち１個～３個がsクォークであるのがハイペロンです
ハイペロンを含む原子核をハイパー核と言い、ハイパー核内のハイペロンは弱い力
の作用で陽子や中性子に変わり、ハイパー核は通常の原子核に戻る

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レプトンの３世代
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レプトンの各世代は弱い力の作用で±W弱ボソンを交換して変換する（ただし同世代の中に限る）
電荷を持つ粒子と電荷を持たない粒子間で双方向に変換する（ｅ⇔νｅ、μ⇔νμ、τ⇔ντ）
μ粒子は百万分の22秒の寿命でμニュートリノに変わり、電子と反電子ニュートリノを放出する
τ粒子は10兆分の３秒の寿命でτニュートリノに変わり、電子と反電子ニュートリノを放出する
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　か、μ粒子と反μニュートリノを放出する

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ニュートリノ
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ニュートリノには電子ニュートリノ、μニュートリノ、τニュートリノの３種類があります
　　　これは「フレーバー」による分類です　…　電子型νｅ、ミュー型νμ、タウ型ντ
　　　ニュートリノは物質に当たって弱い相互作用を受けると、荷電レプトンに変わります
　　　　　　・電子に変わるニュートリノを電子ニュートリノ
　　　　　　・μ粒子に変わるニュートリノをμニュートリノ
　　　　　　・τ粒子に変わるニュートリノをτニュートリノ
　　　３種類の荷電レプトン(e,μ,τ) : 質量でのみ識別可能
　　　３種類のニュートリノ : 物質と相互作用することによって識別可能＝フレーバー

一方、ニュートリノは「質量」という分類で分けることもできます
　　　m1,m2,m3という３つの異なる質量を持つ、
　　　ニュートリノ1、ニュートリノ2、ニュートリノ3の３種類です　…　ν1、ν2、ν3
　　　ニュートリノ混合：ニュートリノν1、ν2、ν3の混合
　　　νｅ＝[ν1＞ν2＞ν3]、νμ＝[ν1＜ν2≒ν3]、ντ＝[ν1＜ν2＜ν3]
　　　ニュートリノは、異なる質量を持つ複数の可能性が重ね合わさった状態

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ニュートリノの生成と検出
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①原子炉内の核分裂の際の放射性核のベータ変換、②高エネルギー陽子加速器で生成（下図）
③宇宙、超新星、太陽、大気、地球の裏側、人体からやってくる
電気を帯びずよく透過する、弱い力だけが作用する、電子の１００万分の１以下の質量
現時点では、左巻きらせん運動のニュートリノと、右巻きらせん運動の反ニュートリノ
しか見つかっていない（他の素粒子は、粒子は左右あり、反粒子も左右ある）

①核反応パイ中間子の変換によるニュートリノ生成
　　　　　　　　　　　　　　　　 νμ　　 νμ
　　　　　　　　　　　　　　　　 ↑　　　 ↑
　　　　　　　　　　　　　π+中間子→μ+粒子→e+
　　　　　　　　　　　　　↑　　　　　　　↓
　500MeV　　　　　　　　　│　　　　　　　νe
②高エネルギー陽子→Be原子核
　　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　νe
　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　↑
　　　　　　　　　　　　　π-中間子→μ-粒子→e-
　　　　　　　　　　　　　　　　 ↓　　　 ↓
　　　　　　　　　　　　　　　　 νμ　　 νμ

③太陽風陽子の場合→大気中の窒素や酸素→…ミュー粒子、電子、ニュートリノ

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ニュートリノ振動
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ニュートリノは、「粒子」であると同時に「波」としての性質を持ちます
　　　それぞれ異なる質量を持つニュートリノν1、ν2、ν3は、
　　　それぞれ異なる振動数を持つ「波」として空間を伝播します

ニュートリノのフレーバーは、３種類の質量の決まった「波」の「重ね合わせ」(合成波)となり、
ニュートリノが空間を飛ぶ間に合成波の位相が変化し、フレーバーの種類(型)が移り変わります
　　　νｅ⇔νμ、νμ⇔ντ、ντ⇔νｅ　この現象をニュートリノ振動と呼びます
　　　ニュートリノが質量を持ち、ゼロではないニュートリノ混合があるときに起こる現象です

質量がわずかに異なる３種類のニュートリノν1、ν2、ν3は、それぞれ異なる速度で飛行する
これを飛行経路のある場所で観測すると、元々作られた型とは異なるタイプのニュートリノに、
　　　ある確率で変わってしまう　…　ニュートリノの世代交代(移動)が起こる
　　　ニュートリノ振動が起きる割合はν1、ν2、ν3の質量の二乗の差と飛行距離に比例し、
　　　ニュートリノが持つエネルギーに反比例する
　　　ニュートリノが反応した時に対になっている、電子やμ粒子、τ粒子を観測し、
　　　ニュートリノの型を判別することで型の変化がわかります(型：フレーバーによる分類)
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ミクロな粒子のまとめ

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素粒子・複合粒子第１世代
素粒子フェルミ粒子
(基本粒子)		クォーク
(ハドロン構成粒子)		u(アップ)
d(ダウン)
レプトン
(軽粒子)		電子e-,陽電子e+
電子ニュートリノνe
ボース粒子ゲージ粒子
(力の粒子)		光子,弱ボソン(Ｗ±,Ｚ)
グルーオン(ｇ:膠着子)
スカラー粒子ヒッグス粒子(Ｈ)
複合粒子ハドロン
(強粒子)		バリオン
(重粒子)		核子(陽子uud,中性子udd)
デルタ粒子(uuu,uud,udd,ddd)
メソン
(中間子)		π+ ,π- ,π0
u反d,d反u,(u反u)or(d反d)
その他原子核
フェルミ粒子：クォーク,レプトン,核子(陽子,中性子)
ボース粒子　：ゲージ粒子,重力子,ヒッグス粒子,中間子
量子数　　　：粒子の量子状態を表わす数値(電荷やスピン)
二次宇宙線　：ミュー粒子は50万分の１秒の寿命ですが特殊相対性理論で10倍延びて地表に到達する
現存する核子を構成するクォークは第１世代のみで、現存する原子を構成する電子も第１世代である
他の世代のクォークやレプトンは宇宙創成時には存在したが現在の地球にはなく、人工的に作られる

物質の占める割合は多くなく宇宙の全質量の大部分は未知の物質で見えないので暗黒物質と呼ばれる
ニュートリノはいまだに謎の多い粒子でニュートリノの正体と暗黒物質の探索が活発に行われている

次へ｜前へ｜TOP 10．放射線　放射線と原子力、放射性物質、宇宙線

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放射線の種類

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種類放射線
粒子線アルファ線ヘリウム原子核、電荷：＋２
　　放射性原子核はアルファ変換で陽子２個中性子２個減り質量数４少ない原子核になる
ベータ線電子・陽電子、電荷：±１
　　電子が出るベータ変換では、放射性原子核の中性子が陽子になる
　　陽電子が出るベータ変換では、放射性原子核の陽子が中性子になる
　　電子や陽電子が出るベータ変換では、もう一つの粒子ニュートリノが放出される
陽子線陽子線：水素の原子核、重陽子線：重水素の原子核、電荷：＋１
　　人工的に原子核反応を起こす加速器等から作られる
中性子線核分裂などの際に核外に飛び出す中性子、電荷：０
　　原子炉や加速器等から作られる、ベータ壊変して陽子になる
電磁波ガンマ線光子、波長：10-11ｍ以下
　　励起状態の原子核が励起エネルギー分のガンマ線を放出して基底状態になる
Ｘ線光子、波長：10-12～10-8ｍ
　　特別なベータ変換では、陽電子放出の代わりに原子核の内側の軌道の電子を吸収して
　　外側の軌道の電子が内側の軌道に移り、軌道差のエネルギーのＸ線が放出される
　放射性変換：アルファ変換、電子／陽電子／Ｘ線を放出するベータ変換、ガンマ線放出
　電離放射線：荷電粒子線、非荷電粒子線、３千兆ヘルツ以上の電磁波(ガンマ線、Ｘ線)
非電離放射線：３千兆ヘルツ以下の電磁波(紫外線の一部、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波)
放射線検出器：霧箱によって荷電粒子（アルファ線、ベータ線、宇宙線）の飛跡を見ることができる
放射線測定器：ＧＭ管式（ベータ線）
　　　　　　　シンチレーション式（ガンマ線、Ｘ線）測定器によってはアルファ線も測定可能
　　　　　　　電離箱式（ガンマ線、Ｘ線）
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電磁波の種類と主な用途

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電磁波波長主な利用
ガンマ線10-10～10-12cm科学観測機器
Ｘ線10-7cm医療機器
紫外線10-6cm殺菌灯
可視光線10-5cm光学機器
赤外線10-3cm赤外線ヒーター
サブミリ波0.1cm光通信システム
電波102～104cm携帯電話・ＴＶ・ラジオ・飛行機の通信

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放射線と原子力
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放射線：天然放射性物質や人工放射性物質からの放射線、宇宙線
放射線の利用：Ｘ線撮影、ＣＴ検査、重イオンビーム、ガンマナイフ、ＰＥＴ(陽電子放出断層撮影)
ラジオアイソトープ（ＲＩ）＝ 原子炉内の中性子を材料に照射して作られる放射性物質
天然にも存在し、放射性同位元素とも呼ばれ、医療用のほかに、工業・農業分野でも使われている
核医学検査 ＝ 放射線を放出するＲＩを含んだ薬を使って、ガンマカメラで体内の状態を調べる検査です

原子核内の核子の軌道運動→高エネルギー粒子を原子核に衝突させると、
高エネルギー粒子のエネルギーの大きさに応じて下記のいずれかが起こる
原子核の振動→原子核の回転→原子核反応→高温核の生成と核子の蒸発→
沢山の核子が蒸発、終には原子核は核子や小さな原子核にばらばらになる

①安定な原子核に外から高エネルギー粒子を入射し、原子核反応が起こると放射性核になることがある
②安定な原子核に外から中性子を入射・吸収させると、放射性核ができる
③安定な原子核に高エネルギー陽子を当てて、中の中性子を弾き飛ばすと放射性核ができる
不安定な放射性核は放射線を放出して、静止質量エネルギーの低い原子核(安定核)に変わる

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炭素同位体年代測定
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宇宙線由来の放射線：中性子→大気中のＮ14→放射性同位体Ｃ14＋Ｈ、Ｃ14＋О2…→Ｃ14О2
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↓放射性崩壊
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (半減期5730±40年)→Ｎ14＋e-＋νe
炭素同位体年代測定：遺物や化石に含まれる炭素14(放射性同位体Ｃ14)の量を測定する
炭素14の中性子１個が弱ボソンの作用で陽子に変わり、窒素14に変わる　＝　β-崩壊
　　　　中性子中のｄクォークが弱ボソンを放出してｕクォークになる
　　　　弱ボソンはすぐにこわれて電子と反電子ニュートリノに変わる
炭素14＝陽子６個＋中性子８個　　　　　　　　　　　窒素14＝陽子７個＋中性子７個

原子力エネルギー：ウラニウムやトリウムの核分裂の際の放出エネルギー　…　原子力発電で利用中
核融合エネルギー：重水素や三重水素などの核融合の際の放出エネルギー
数百万～１千万eV：電子線(ベータ線)、陽子線、アルファ線、ガンマ線
　　　　１千億eV：宇宙線(ミュー粒子)、化学反応は数eVで放射線エネルギーの百万分の１
　　　　放射性変換前後の質量差：Ｅ＝ｍｃ2　 … 　これが放射線エネルギーが高い理由

　　　核分裂の連鎖反応：ウラニウムが中性子を吸収して核分裂が起こり中性子を放出する
　　　核燃料の燃焼制御：原子炉では中性子の減速材や中性子を吸収する制御棒が使われる
　　　核融合の実用化：１億度位の超高温のプラズマをある時間維持し核融合の持続が必要

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原子炉内のウラニウムの燃焼
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中性子(点火剤)→U235核分裂→中性子＋U238(天然核燃料)→U239→β変換→Np239→β変換→Pu239
　　　　　　　　　　　　　→I131,Cs137,Sr90…,Xe133→β変換→Cs133＋中性子→Cs134
Pu239は人工核燃料になるが、一部は中性子を吸収してPu240になり、一部は中性子により核分裂する
核分裂による静止質量エネルギーの変化はウラニウム核あたり0.01%、エネルギーにして２億電子ボルト
半減期が数万年以上の放射能をもつ長寿命核種MA(Np,Am,Cm)の群分離・核変換技術の開発が求められている
資源量の多いトリウムによるトリウム燃料サイクルは、MAの生成量が小さい利点があるが課題も多い

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放射線の遮蔽や防御
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500万eVの放射線の速さと透過する厚さ　　　　　　　　　　　　1000万eVの放射線の防御
アルファ線　　：光速の５％、　アルミホイル0.002cmで止まる　銅箔0.03mm
陽子線　　　　：光速の10％、　アルミ板0.02cmで止まる　　　 銅箔0.25mm
ベータ線(電子)：光速の99.5％、アルミ板１cmで止まる　　　　 銅板６mm
ガンマ線(光子)：光速、　　　　アルミレンガ20cmで1/4に減少　銅ブロック10cmで1/10,15cmで2/100に減少
中性子線　　　：光速の4.67％、　　　　　　　　　　　　　　 数十cm～数ｍのコンクリートで減らす
宇宙線　　　　：ほぼ光速に近い速さ、　　　　　　　　　　　 1000億eV、地下250ｍ
アルファ線、陽子線、ベータ線、宇宙からのミュー粒子：物質中の電子の電気力で減速して止まる
ガンマ線：物質中の電子に何回か衝突すると吸収されて消滅する(一部又は全部が電子のエネルギーになる)
　　　　　光子は電子に衝突して、散乱、吸収、電子・陽電子対に変換される
中性子線：物質中の原子核に衝突して吸収されて消滅する

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放射性物質
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放射性物質は、壊変(崩壊)を繰り返し、最終的に安定した物質へ変化すると放射線を放出しなくなります
原子核の壊変には、規則性があり、放射能の量はある一定の時間が経過すると半分になり、更にその同じ
一定の時間が経過するとまたその半分になります　…　(1→1/2→1/4→1/8…)一定の時間：半減期は同じ
放射線の強度(ベクレル)：放射性核数×変換率(%/年)、平均寿命＝1/変換率、半減期＝平均寿命の約70％
物理学的半減期：壊変によって、始めの原子核の数が半分になるまでの時間を半減期といいます
　　　　　　　　半減期は、放射性物質によって違い、数秒のものから100億年を超えるものまであります
生物学的半減期：体内に取り込まれた放射性物質の量が代謝や排泄により体の外へ排出されて半分になる
　　　　　　　　までの時間
実効半減期　　：物理学的半減期と生物学的半減期の両方を考慮したもの
放射性物質物理学的半減期放射性物質物理学的半減期
クリプトン９０　　　３２．３秒クリプトン８５　　　　　１１
キセノン１３８　　　１４．１分トリチウム　　　　　１２．３
フッ素１８　　　　１０９．８分ストロンチウム９０　２８．８
ナトリウム２４　　　　１５時間セシウム１３７　　　３０．０
ラドン２２２　　　　　３．８日ラジウム２２６　　　１６００
キセノン１３３　　　　５．２日炭素１４　　　　　　５７００
ヨウ素１３１　　　　８．０４日プルトニウム２３９　２．４万
ストロンチウム８９　５０．５日ウラン２３５　　　　７．０億
ポロニウム２１０　１３８．４日カリウム４０　　　　　１３億
セシウム１３４　　　　２．１ウラン２３８　　　　　４５億
コバルト６０　　　　５．２７トリウム２３２　　　１４１億
系列：放射性原子核から安定な原子核になるまで次々に核種が変化しながら壊変する
非系列：系列を作らず放射性原子核から直接（１回の壊変で）安定な原子核になる

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放射線の単位
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ベクレル　（Bq）：１秒間に壊変(崩壊)する原子核の数で、放射能を表す単位、Bq/ℓ、Bq/kg
シーベルト（Sv）：体が受けた放射線による影響の度合いを表す単位、ミリSv、μSv
グレイ　　（Gy）：放射線のエネルギーが物質や人体の組織に吸収された量を表す単位、ナノGy、μGy
※原子爆弾の放出したエネルギーの５０％は爆風に、 ３５％は熱線に、１５％は放射線となりました

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地球内外の放射性物質
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天然放射性核
ウラニウム２３８→トリウム２３４→…→鉛２０６
ラジウム２２６→…
ラドン２２２→…
トリウム２３２…→タリウム２０８→鉛２０８
カリウム４０→カルシウム４０→…
カリウム４０→アルゴン４０→…
人工放射性核
セシウム１３７→バリウム１３７→…
→：壊変,セシウム１３７：核分裂生成人工放射性核
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宇宙線の種類

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種類宇宙線
一次宇宙線陽子、ヘリウム、電子
二次宇宙線ミュー粒子、中性子
銀河宇宙線超高エネルギーの宇宙線
太陽宇宙線ニュートリノ、ガンマ線、陽子、Ｘ線
一次宇宙線が大気に衝突して作られる二次宇宙線粒子の
更なる崩壊・生成の連鎖反応を大気シャワー現象と呼ぶ

次へ｜前へ｜TOP 11．元素と周期表　元素記号一覧、周期表、周期表の仕組み、電子配置

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元素記号一覧

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Alphabet順
周期族原子番号元素記号日本語名
Ａ７３ 89Acアクチニウム
５11 47Ag銀
３13 13Alアルミニウム
７３ 95Amアメリシウム
３18 18Arアルゴン
４15 33Asヒ素
６17 85Atアスタチン
　６11 79Au金
Ｂ２13 5Ｂホウ素
６２ 56Baバリウム
２２ 4Beベリリウム
７７107Bhボーリウム
６15 83Biビスマス
７３ 97Bkバークリウム
　４17 35Br臭素
Ｃ２14 6Ｃ炭素
４２ 20Caカルシウム
５12 48Cdカドミウム
６３ 58Ceセリウム
７３ 98Cfカリホルニウム
３17 17Cl塩素
７３ 96Cmキュリウム
７12112Cnコペルニシウム
４９ 27Coコバルト
４６ 24Crクロム
６１ 55Csセシウム
　４11 29Cu銅
Ｄ７５105Dbドブニウム
７10110Dsダームスタチウム
　６３ 66Dyジスプロシウム
Ｅ６３ 68Erエルビウム
７３ 99Esアインスタイニウム
　６３ 63Euユウロピウム
Ｆ２17 9Ｆフッ素
４８ 26Fe鉄
７14114Flフレロビウム
７３100Fmフェルミウム
　７１ 87Frフランシウム
Ｇ４13 31Gaガリウム
６３ 64Gdガドリニウム
　４14 32Geゲルマニウム
Ｈ１１ 1Ｈ水素
１18 2Heヘリウム
６４ 72Hfハフニウム
６12 80Hg水銀
６３ 67Hoホルミウム
　７８108Hsハッシウム
Ｉ５17 53Ｉヨウ素
５13 49Inインジウム
　６９ 77Irイリジウム
Ｋ４１ 19Ｋカリウム
　４18 36Krクリプトン
Ｌ６３ 57Laランタン
２１ 3Liリチウム
７３103Lrローレンシウム
６３ 71Luルテチウム
　７16116Lvリバモリウム
Ｍ７15115Mcモスコビウム
７３101Mdメンデレビウム
３２ 12Mgマグネシウム
４７ 25Mnマンガン
５６ 42Moモリブデン
　７９109Mtマイトネリウム
Ｎ２15 7Ｎ窒素
３１ 11Naナトリウム
５５ 41Nbニオブ
６３ 60Ndネオジム
２18 10Neネオン
７13113Nhニホニウム
４10 28Niニッケル
７３102Noノーベリウム
　７３ 93Npネプツニウム
Ｏ２16 8Ｏ酸素
７18118Ogオガネソン
　６８ 76Osオスミウム
Ｐ３15 15Ｐリン
７３ 91Paプロトアクチニウム
６14 82Pb鉛
５10 46Pdパラジウム
６３ 61Pmプロメチウム
６16 84Poポロニウム
６３ 59Prプラセオジム
６10 78Pt白金
　７３ 94Puプルトニウム
Ｒ７２ 88Raラジウム
５１ 37Rbルビジウム
６７ 75Reレニウム
７４104Rfラザホージウム
７11111Rgレントゲニウム
５９ 45Rhロジウム
６18 86Rnラドン
　５８ 44Ruルテニウム
Ｓ３16 16Ｓ硫黄
５15 51Sbアンチモン
４３ 21Scスカンジウム
４16 34Seセレン
７６106Sgシーボーギウム
３14 14Siケイ素
６３ 62Smサマリウム
５14 50Snスズ
　５２ 38Srストロンチウム
Ｔ６５ 73Taタンタル
６３ 65Tbテルビウム
５７ 43Tcテクネチウム
５16 52Teテルル
７３ 90Thトリウム
４４ 22Tiチタン
６13 81Tlタリウム
６３ 69Tmツリウム
　７17117Tsテネシン
Ｕ７３ 92Ｕウラン
Ｖ４５ 23Ｖバナジウム
Ｗ６６ 74Ｗタングステン
Ｘ５18 54Xeキセノン
Ｙ５３ 39Ｙイットリウム
　６３ 70Ybイッテルビウム
Ｚ４12 30Zn亜鉛
５４ 40Zrジルコニウム
アイウエオ順
　周期族原子番号元素記号日本語名
ア７３ 99Esアインスタイニウム
４12 30Zn亜鉛
７３ 89Acアクチニウム
６17 85Atアスタチン
７３ 95Amアメリシウム
３18 18Arアルゴン
３13 13Alアルミニウム
５15 51Sbアンチモン
イ３16 16Ｓ硫黄
６３ 70Ybイッテルビウム
５３ 39Ｙイットリウム
６９ 77Irイリジウム
５13 49Inインジウム
ウ７３ 92Ｕウラン
エ６３ 68Erエルビウム
３17 17Cl塩素
オ７18118Ogオガネソン
　６８ 76Osオスミウム
カ５12 48Cdカドミウム
４１ 19Ｋカリウム
７３ 98Cfカリホルニウム
４２ 20Caカルシウム
６３ 64Gdガドリニウム
４13 31Gaガリウム
キ５18 54Xeキセノン
７３ 96Cmキュリウム
６11 79Au金
５11 47Ag銀
ク４18 36Krクリプトン
４６ 24Crクロム
ケ３14 14Siケイ素
４14 32Geゲルマニウム
コ４９ 27Coコバルト
　７12112Cnコペルニシウム
サ６３ 62Smサマリウム
２16 8Ｏ酸素
シ４17 35Br臭素
７６106Sgシーボーギウム
６３ 66Dyジスプロシウム
５４ 40Zrジルコニウム
ス６12 80Hg水銀
１１ 1Ｈ水素
４３ 21Scスカンジウム
５14 50Snスズ
５２ 38Srストロンチウム
セ６１ 55Csセシウム
６３ 58Ceセリウム
　４16 34Seセレン
タ６13 81Tlタリウム
６６ 74Ｗタングステン
２14 6Ｃ炭素
６５ 73Taタンタル
７10110Dsダームスタチウム
チ４４ 22Tiチタン
２15 7Ｎ窒素
ツ６３ 69Tmツリウム
テ５７ 43Tcテクネチウム
４８ 26Fe鉄
７17117Tsテネシン
６３ 65Tbテルビウム
５16 52Teテルル
ト７３ 90Thトリウム
　４11 29Cu銅
７５105Dbドブニウム
ナ３１ 11Naナトリウム
６14 82Pb鉛
ニ５５ 41Nbニオブ
４10 28Niニッケル
７13113Nhニホニウム
ネ６３ 60Ndネオジム
２18 10Neネオン
７３ 93Npネプツニウム
ノ７３102Noノーベリウム
ハ６10 78Pt白金
７８108Hsハッシウム
６４ 72Hfハフニウム
４５ 23Ｖバナジウム
６２ 56Baバリウム
７３ 97Bkバークリウム
５10 46Pdパラジウム
ヒ４15 33Asヒ素
６15 83Biビスマス
フ７３100Fmフェルミウム
２17 9Ｆフッ素
７１ 87Frフランシウム
７14114Flフレロビウム
６３ 59Prプラセオジム
７３ 94Puプルトニウム
７３ 91Paプロトアクチニウム
６３ 61Pmプロメチウム
ヘ１18 2Heヘリウム
２２ 4Beベリリウム
ホ２13 5Ｂホウ素
６３ 67Hoホルミウム
７７107Bhボーリウム
　６16 84Poポロニウム
マ７９109Mtマイトネリウム
３２ 12Mgマグネシウム
４７ 25Mnマンガン
メ７３101Mdメンデレビウム
モ７15115Mcモスコビウム
　５６ 42Moモリブデン
ユ６３ 63Euユウロピウム
ヨ５17 53Ｉヨウ素
ラ７４104Rfラザホージウム
７２ 88Raラジウム
６18 86Rnラドン
６３ 57Laランタン
リ２１ 3Liリチウム
７16116Lvリバモリウム
３15 15Ｐリン
ル６３ 71Luルテチウム
５８ 44Ruルテニウム
５１ 37Rbルビジウム
レ６７ 75Reレニウム
７11111Rgレントゲニウム
ロ５９ 45Rhロジウム
７３103Lrローレンシウム
原子番号順
　周期族原子番号元素記号日本語名
１１１ 1Ｈ
　１18 2He
２２１ 3Li
２２ 4Be
２13 5Ｂ
２14 6Ｃ
２15 7Ｎ
２16 8Ｏ
２17 9Ｆ
　２18 10Ne
３３１ 11Na
３２ 12Mg
３13 13Al
３14 14Si
３15 15Ｐ
３16 16Ｓ
３17 17Cl
　３18 18Ar
４４１ 19Ｋ
４２ 20Ca
４３ 21Sc
４４ 22Ti
４５ 23Ｖ
４６ 24Cr
４７ 25Mn
４８ 26Fe
４９ 27Co
４10 28Ni
４11 29Cu
４12 30Zn
４13 31Ga
４14 32Ge
４15 33As
４16 34Se
４17 35Br
　４18 36Kr
５５１ 37Rb
５２ 38Sr
５３ 39Ｙ
５４ 40Zr
５５ 41Nb
５６ 42Mo
５７ 43Tc
５８ 44Ru
５９ 45Rh
５10 46Pd
５11 47Ag
５12 48Cd
５13 49In
５14 50Sn
５15 51Sb
５16 52Te
５17 53Ｉ
　５18 54Xe
６６１ 55Cs
６２ 56Ba
６３ 57La
６３ 58Ce
６３ 59Pr
６３ 60Nd
６３ 61Pm
６３ 62Sm
６３ 63Eu
６３ 64Gd
６３ 65Tb
６３ 66Dy
６３ 67Ho
６３ 68Er
６３ 69Tm
６３ 70Yb
６３ 71Lu
６４ 72Hf
６５ 73Ta
６６ 74Ｗ
６７ 75Re
６８ 76Os
６９ 77Ir
６10 78Pt
６11 79Au
６12 80Hg
６13 81Tl
６14 82Pb
６15 83Bi
６16 84Po
６17 85At
　６18 86Rn
７７１ 87Fr
７２ 88Ra
７３ 89Ac
７３ 90Th
７３ 91Pa
７３ 92Ｕ
７３ 93Np
７３ 94Pu
７３ 95Am
７３ 96Cm
７３ 97Bk
７３ 98Cf
７３ 99Es
７３100Fm
７３101Md
７３102No
７３103Lr
７４104Rf
７５105Db
７６106Sg
７７107Bh
７８108Hs
７９109Mt
７10110Ds
７11111Rg
７12112Cn
７13113Nh
７14114Fl
７15115Mc
７16116Lv
７17117Ts
７18118Og
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従来の周期表

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族→
周期		 １２３４５６ ７８９101112 131415161718
１１
Ｈ
水素		　２
He
ヘリウム
２ ３
Li
リチウム		 ４
Be
ベリリウム		 　上段：原子番号(陽子数)、下段：日本名
中段：元素記号(文字色は常温の相)　		 ５
Ｂ
ホウ素		 ６
Ｃ
炭素		 ７
Ｎ
窒素		 ８
Ｏ
酸素		 ９
Ｆ
フッ素		 10
Ne
ネオン
３ 11
Na
ナトリウム		 12
Mg
マグネシウム		　 13
Al
アルミニウム		 14
Si
ケイ素		 15
Ｐ
リン		 16
Ｓ
硫黄		 17
Cl
塩素		 18
Ar
アルゴン
４ 19
Ｋ
カリウム		 20
Ca
カルシウム		 21
Sc
スカンジウム		 22
Ti
チタン		 23
Ｖ
バナジウム		 24
Cr
クロム		 25
Mn
マンガン		 26
Fe
鉄		 27
Co
コバルト		 28
Ni
ニッケル		 29
Cu
銅		 30
Zn
亜鉛		 31
Ga
ガリウム		 32
Ge
ゲルマニウム		 33
As
ヒ素		 34
Se
セレン		 35
Br
臭素		 36
Kr
クリプトン
５ 37
Rb
ルビジウム		 38
Sr
ストロンチウム		 39
Ｙ
イットリウム		 40
Zr
ジルコニウム		 41
Nb
ニオブ		 42
Mo
モリブデン		 43
Tc
テクネチウム		 44
Ru
ルテニウム		 45
Rh
ロジウム		 46
Pd
パラジウム		 47
Ag
銀		 48
Cd
カドミウム		 49
In
インジウム		 50
Sn
スズ		 51
Sb
アンチモン		 52
Te
テルル		 53
Ｉ
ヨウ素		 54
Xe
キセノン
６ 55
Cs
セシウム		 56
Ba
バリウム		 ランタ
ノイド		 72
Hf
ハフニウム		 73
Ta
タンタル		 74
Ｗ
タングステン		 75
Re
レニウム		 76
Os
オスミウム		 77
Ir
イリジウム		 78
Pt
白金		 79
Au
金		 80
Hg
水銀		 81
Tl
タリウム		 82
Pb
鉛		 83
Bi
ビスマス		 84
Po
ポロニウム		 85
At
アスタチン		 86
Rn
ラドン
７ 87
Fr
フランシウム		 88
Ra
ラジウム		 アクチ
ノイド		 104
Rf
ラザホージウム		 105
Db
ドブニウム		 106
Sg
シーボーギウム		 107
Bh
ボーリウム		 108
Hs
ハッシウム		 109
Mt
マイトネリウム		 110
Ds
ダームスタチウム		 111
Rg
レントゲニウム		 112
Cn
コペルニシウム		 113
Nh
ニホニウム		 114
Fl
フレロビウム		 115
Mc
モスコビウム		 116
Lv
リバモリウム		 117
Ts
テネシン		 118
Og
オガネソン
上記周期表は「長周期型周期表」と呼ばれるもので、「ランタノイド（57番〜71番元素）」
や「アクチノイド（89番〜103番元素）」といった元素群が、表の下側に置かれています
一方、超長周期型の周期表では、ランタノイドやアクチノイドも一つの表の中におさめます
つまり、長周期型と超長周期型は、元素の配置の仕方がちがうだけで、内容は同じものです
ランタ
ノイド		 57
La
ランタン		 58
Ce
セリウム		 59
Pr
プラセオジム		 60
Nd
ネオジム		 61
Pm
プロメチウム		 62
Sm
サマリウム		 63
Eu
ユウロピウム		 64
Gd
ガドリニウム		 65
Tb
テルビウム		 66
Dy
ジスプロシウム		 67
Ho
ホルミウム		 68
Er
エルビウム		 69
Tm
ツリウム		 70
Yb
イッテルビウム		 71
Lu
ルテチウム
アクチ
ノイド		 89
Ac
アクチニウム		 90
Th
トリウム		 91
Pa
プロトアクチニウム		 92
Ｕ
ウラン		 93
Np
ネプツニウム		 94
Pu
プルトニウム		 95
Am
アメリシウム		 96
Cm
キュリウム		 97
Bk
バークリウム		 98
Cf
カリホルニウム		 99
Es
アインスタイニウム		 100
Fm
フェルミウム		 101
Md
メンデレビウム		 102
No
ノーベリウム		 103
Lr
ローレンシウム
元素記号＝【赤：常温で気体(H,N,O,F,Cl,18族)、青：常温で液体(Hg,Br)、黒：常温で固体】
背景の色＝非金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ハロゲン、貴ガス、典型金属
金属元素：金属元素、非金属元素：金属元素以外、半金属元素：金属と非金属との境界付近の元素(両方の性質)
遷移元素(横の類似性)：３～12族、３族のうち原子番号＝57～70と原子番号＝89～102は内部遷移元素
典型元素(縦の類似性)：遷移元素以外、典型元素には非金属元素と金属元素がある、テネシンも典型元素に含む
内部遷移元素：原子番号＝57～70：ランタノイド(La～Yb)、原子番号＝89～102：アクチノイド(Ac～No)
希土類元素(17元素)：Scスカンジウム,Yイットリウム,ランタノイド＝(「ランタン」+「もどき」)
貴ガスは量的に少ないので希ガスとも言われる化合反応を起こしにくい不活性ガス(最外殻までの電子が満杯状態)
2005年に英語表記がrare gasからnoble gasに改められ,日本語での表記も希ガスから貴ガスへと変更になりました
令和３年度の教科書より、日本化学会の提言も踏まえて高貴なガスという意味から貴ガスと表記を変更しています
化学反応しやすい：電子が満杯＋１個余計(Na+)、電子が満杯－１個少ない(Cl-)＝化学反応を起こしてNaClになる
第12族から第16族は先頭元素名で呼ばれる（亜鉛族,ホウ素族,炭素族,窒素族,酸素族）
ニクトゲン：15族に位置する５つの元素(N,P,As,Sb,Bi),カルコゲン：16族に位置する５つの元素(O,S,Se,Te,Po)

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人工元素
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人工元素：天然に存在する元素は原則、原子番号92Ｕウランまでですが、原子番号92までのうち４つの例外元素
＝43Tcテクネチウム,61Pmプロメチウム,85Atアスタチン,87Frフランシウム(同位体)および原子番号が93以上の
超ウラン元素(アクチノイドの一部93～103,104-118の24個),いずれも放射性元素

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遷移元素
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殻 ---spdf軌道---
K　1s　　　　　　
L　2s　2p　　　　
M　3s　3p　3d　　
N　4s　4p　4d　4f
O　5s　5p　5d　5f
P　6s　6p　6d　6f
Q　7s　7p　7d　7f
　 2　 6　 10　14
 電子殻は内側から、K殻、L殻、M殻、N殻…です
各電子殻に入ることのできる電子の数は限りがあって、
K殻に2個、L殻に8個、M殻に18個、N殻に32個となります
電子が電子殻に入るとき、その入り方には規則性（電子配置）がある
規則性①‥電子は普通内側にある電子殻(K殻)から順に入る
内側から入った電子が電子殻の収容できる数を超えるとその外側の電子殻に入る
規則性②‥最外殻電子の数が８個を超えてはいけない（ただし、Pdは例外）
原子は安定な電子殻が多い方を目指す(Ca20の場合、K2,L8,M10でなく、K2,L8,M8,N2)
遷移元素はこの規則性に従わない（後述の例外１,例外２,例外３）
　　→┼→┼──→┼──→┼────→┼────→┼──────→┼────→┼──→┼→
殻　K　 L　 L　 M　 M　 N　 M　 N　 O　 N　 O　 P　 N　 O　 P　 Q　 O　 P　 Q　 P　 Q　 Q
軌道1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p→5s→4d→5p→6s→4f→5d→6p→7s→5f→6d→7p→6f→7d→7f
(Ｅ)1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p＜5s＜4d＜5p＜6s＜4f＜5d＜6p＜7s＜5f＜6d＜7p＜6f＜7d＜7f
という順で詰まっていきます（銅などいくつかの例外もある）
　　○主量子数：n = 1,2,3,…,7 (正の整数) = 電子殻：K,L,M,N,…殻
　　○主量子数nと方位量子数l(エル)との関係…0≦l≦n-1
　　○方位量子数l(エル)と磁気量子数mlとの関係…-l≦ml≦l
エネルギー準位(Ｅ)は、通常、主量子数(n)が大きくなるほど高く、主量子数(n)が同じ値の場合には、
方位量子数(l：エル)の値が大きくなるほど高いが、n≧3の場合は、高低の逆転が生じる(4s<3d)
このように見ると、M殻の3d軌道の前にN殻の4s軌道が詰まるなど「K殻から順に」のルールが崩れています
実はこれこそが「遷移元素」が存在する理由です
電子軌道は、エネルギーの低い順に収容される(4s<3d)

例として原子番号21、電子数21のスカンジウムを見ていきます
カルシウムは電子数20ですから、電子1個を残して全てカルシウムと同じように詰まります
カルシウムはK殻に2個、L殻に8個、M殻に8個入ると、あと10個の電子がM殻に入れるのですが、
残り2個の電子は、M殻より軌道エネルギーの低いN殻に先に入ります（4s<3d）
(Ca20の場合、K2,L8,M10でなく、K2,L8,M8,N2)
　　　K　　L　　L　　M　　M　　N　
20Ca：1s2→2s2→2p6→3s2→3p6→4s2
電子数　2　　4　 10　 12　 18　 20
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　　　　　　　　　　　
周期４Ｎ殻↑↓　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
　:　　　
アップスピン↑とダウンスピン↓が１つずつ入る（１つの軌道には電子は上下逆さのスピンで入る）電子対
　　　　　↑↓
同じエネルギーの軌道にはバラバラに、スピンを揃えて入るという規則があります（フントの規則）不対電子
　　　　　　　↑　↑　↑　
そしてスカンジウムの最後の1個は、N殻4s軌道の次にエネルギーの低いM殻3d軌道に詰まります
　　　K　　L　　L　　M　　M　　N　　M　
21Sc：1s2→2s2→2p6→3s2→3p6→4s2→3d1
電子数　2　　4　 10　 12　 18　 20　 21
この先最外殻電子は4s軌道の2個のまま、3d軌道に入っていくことになり、これが「遷移元素」が生じる原因です
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑　　　　　　　　　　
周期４Ｎ殻↑↓　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
　:　　　

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遷移元素・内部遷移元素
｜TOP
亜鉛族元素：第12族元素は、d軌道が閉殻状態ゆえ典型元素的性質を持つため、以前は「典型元素」に分類され
ていましたが、IUPACの最近の勧告にあわせて、日本も2022年度からは「遷移元素」に含めるとしています
従来の周期表の中には、(La～Lu)及び((Ac～Lr)の各15元素を「内部遷移元素」としているものもありますが、
電子配置からするとLu及びLrは「内部遷移元素」でなく「遷移元素」です
本来、内部遷移元素は(n-2)f1-14の電子を持ち、各シリーズ14個の元素からなることが特長です
ランタノイド(La～Lu)15個のうちLuを除外した(La～Yb)が内部遷移元素14個、Luは遷移元素
(La～Yb)+(Lu～Hg)：(14+10)元素＝4f+5d
アクチノイド(Ac～Lr)15個のうちLrを除外した(Ac～No)が内部遷移元素14個、Lrは遷移元素
(Ac～No)+(Lr～Cn)：(14+10)元素＝5f+6d

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最外殻電子・閉殻・価電子
｜TOP
１番外側の電子殻に収容されている電子のことを最外殻電子といいます
貴ガスの最外殻電子はヘリウムだけ２個で、他の貴ガスはすべて最外殻電子は８個で安定な電子配置をしています
このように最大数の電子が収容された電子殻を閉殻といいます
化学結合や化学的性質に関与する電子のことを価電子といいます
最外殻電子がちょうどその電子殻の最大収容数の場合、または最外殻電子が8個の場合、価電子の数は0とする
貴ガスの場合は最外殻までの電子が満杯状態で、化学反応をそもそも起こさないので、価電子の数はゼロです
価電子の定義は曖昧です（貴ガスは反応性が低いから価電子数はすべて０としますと言う程度の定義です！）

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放射性同位体・安定同位体
｜TOP
同一元素の原子はその原子核に必ず同数の陽子を持っているが、中性子数の異なる原子核(核種)を同位体と呼ぶ
同位体は陽子と軌道電子の数が等しいため化学的性質はほぼ等しいが、物理的性質は異なる
同位体のうち放射性を有するものを放射性同位体、放射性を有しないものを安定同位体と呼ぶ
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元素発見の歴史

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族→
周期		 １２３４５６ ７８９101112 131415161718
１１
水素
1766		　２
ヘリウム
1868
２ ３
リチウム
1817		 ４
ベリリウム
1798		 　上段：原子番号、中段：日本名、下段：発見年 ５
ホウ素
1808		 ６
炭素
古代		 ７
窒素
1772		 ８
酸素
1774		 ９
フッ素
1886		 10
ネオン
1898
３ 11
ナトリウム
1807		 12
マグネシウム
1755		　 13
アルミニウム
1825		 14
ケイ素
1823		 15
リン
1669		 16
硫黄
古代		 17
塩素
1774		 18
アルゴン
1894
４ 19
カリウム
1807		 20
カルシウム
1808		 21
スカンジウム
1879		 22
チタン
1795		 23
バナジウム
1801		 24
クロム
1797		 25
マンガン
1774		 26
鉄
古代		 27
コバルト
1737		 28
ニッケル
1751		 29
銅
古代		 30
亜鉛
古代		 31
ガリウム
1875		 32
ゲルマニウム
1886		 33
ヒ素
1250		 34
セレン
1817		 35
臭素
1826		 36
クリプトン
1898
５ 37
ルビジウム
1860		 38
ストロンチウム
1793		 39
イットリウム
1794		 40
ジルコニウム
1789		 41
ニオブ
1846		 42
モリブデン
1778		 43
テクネチウム
1937		 44
ルテニウム
1844		 45
ロジウム
1803		 46
パラジウム
1803		 47
銀
古代		 48
カドミウム
1817		 49
インジウム
1863		 50
スズ
古代		 51
アンチモン
1450		 52
テルル
1782		 53
ヨウ素
1811		 54
キセノン
1898
６ 55
セシウム
1860		 56
バリウム
1774		 ランタ
ノイド		 72
ハフニウム
1923		 73
タンタル
1802		 74
タングステン
1783		 75
レニウム
1925		 76
オスミウム
1803		 77
イリジウム
1803		 78
白金
1741		 79
金
古代		 80
水銀
古代		 81
タリウム
1860		 82
鉛
古代		 83
ビスマス
1753		 84
ポロニウム
1898		 85
アスタチン
1940		 86
ラドン
1898
７ 87
フランシウム
1939		 88
ラジウム
1898		 アクチ
ノイド		 104
ラザホージウム
1964		 105
ドブニウム
1970		 106
シーボーギウム
1974		 107
ボーリウム
1976		 108
ハッシウム
1984		 109
マイトネリウム
1982		 110
ダームスタチウム
1994		 111
レントゲニウム
1994		 112
コペルニシウム
1996		 113
ニホニウム
2004		 114
フレロビウム
1999		 115
モスコビウム
2004		 116
リバモリウム
2000		 117
テネシン
2009		 118
オガネソン
2003
ランタ
ノイド		 57
ランタン
1839		 58
セリウム
1803		 59
プラセオジム
1885		 60
ネオジム
1885		 61
プロメチウム
1945		 62
サマリウム
1879		 63
ユウロピウム
1901		 64
ガドリニウム
1880		 65
テルビウム
1843		 66
ジスプロシウム
1886		 67
ホルミウム
1879		 68
エルビウム
1843		 69
ツリウム
1879		 70
イッテルビウム
1878		 71
ルテチウム
1907
アクチ
ノイド		 89
アクチニウム
1899		 90
トリウム
1828		 91
プロトアクチニウム
1917		 92
ウラン
1789		 93
ネプツニウム
1940		 94
プルトニウム
1941		 95
アメリシウム
1945		 96
キュリウム
1944		 97
バークリウム
1949		 98
カリホルニウム
1950		 99
アインスタイニウム
1952		 100
フェルミウム
1953		 101
メンデレビウム
1955		 102
ノーベリウム
1958		 103
ローレンシウム
1961
背景の色＝ 　古代、 13世紀、 15世紀、 17世紀、 18世紀、 19世紀、 20世紀、 21世紀
元素数　＝ １０個、 　１個、 　１個、 　１個、 ２１個、 ４９個、 ３０個、 　５個
地表露出：有用資源の採掘
熱分解・電気分解：化合物を単体に分解
分光器：分光分析、スペクトル分析
周期律の発見：三つ組元素、未知元素の予言（周期表の空欄）
放射線：放射性元素の発見
加速器：原子核反応、人工元素、現代の錬金術

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短周期型周期表の改良版

｜TOP
族→
周期		 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ Ⅶ０
１１
Ｈ
水素		　２
He
ヘリウム
２ ３
Li
リチウム		 ４
Be
ベリリウム		 上段：原子番号(陽子数)
中段：元素記号		 ５
Ｂ
ホウ素		 ６
Ｃ
　炭素　		 ７
Ｎ
　窒素　		 ８
Ｏ
　酸素　		 ９
Ｆ
フッ素		 10
Ne
ネオン
３ 11
Na
ナトリウム		 12
Mg
マグネシウム		 (文字色は常温の相)
下段：日本名		 13
Al
アルミニウム		 14
Si
ケイ素		 15
Ｐ
　リン　		 16
Ｓ
　硫黄　		 17
Cl
　塩素　		 18
Ar
アルゴン
４ 19
Ｋ
カリウム		 20
Ca
カルシウム		 21～30
Sc～Zn
スカンジウム～亜鉛		 31
Ga
ガリウム		 32
Ge
ゲルマニウム		 33
As
　ヒ素　		 34
Se
セレン		 35
Br
　臭素　		 36
Kr
クリプトン
５ 37
Rb
ルビジウム		 38
Sr
ストロンチウム		 39～48
Ｙ～Cd
イットリウム～カドミウム		 49
In
インジウム		 50
Sn
スズ		 51
Sb
アンチモン		 52
Te
テルル		 53
Ｉ
ヨウ素		 54
Xe
キセノン
６ 55
Cs
セシウム		 56
Ba
バリウム		 57～70
La～Yb
ランタン～イッテルビウム		 71～80
Lu～Hg
ルテチウム～水銀		 81
Tl
タリウム		 82
Pb
　　鉛　　		 83
Bi
ビスマス		 84
Po
ポロニウム		 85
At
アスタチン		 86
Rn
ラドン
７ 87
Fr
フランシウム		 88
Ra
ラジウム		 89～102
Ac～No
　アクチニウム～ノーベリウム　		 103～112
Lr～Cn
ローレンシウム～コペルニシウム		 113
Nh
ニホニウム		 114
Fl
フレロビウム		 115
Mc
モスコビウム		 116
Lv
リバモリウム		 117
Ts
テネシン		 118
Og
オガネソン
最外殻電子の数が同じ元素は同じ族にまとめた周期表
第４軌道以降は、p軌道の前の隙間(d軌道やf軌道)に電子が入り込み、
元素はどれも同じような性質を示す
メンデレーエフの第二の周期表をベースに貴ガスやLn(57-71)An(89-103)を追加
亜族を追加（Ａ＆Ｂ）した短周期型周期表
族→
周期		ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦＯⅧⅧⅧ
ＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢ　　　　　　　　
１Ｈ　　　　　　　　　　　　　He　　　　　　　
２Li　Be　Ｂ　Ｃ　Ｎ　Ｏ　Ｆ　Ne　　　　　　　
３Na　Mg　Al　Si　Ｐ　Ｓ　Cl　Ar　　　　　　　
４ＫCuCaZnScGaTiGeＶAsCrSeMnBr　KrFe　Co　Ni　
５RbAgSrCdＹInSnNbSbMoTeTcＩ　　XeRu　Rh　Pd　
６CsAuBaHgLa～LuTlHfPbTaBiＷPoReAt　RnOs　Ir　Pt　
７FrRgRaCnAc～LrNhRfFlDbMcSgLvBhTs OgHs Mt　Ds　
IB,ⅡB,ⅢA–ⅦA,Ｏ族をまるごとⅧ族の右に引越した短周期型周期表
亜族問題の解決とブロック（spdf）の分類を同時に達成
族→
周期		ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅧⅧⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦＯ
１Ｈ　　　　　　　　　　　　　　　　He
２LiBe　　　　　　　　　　ＢＣＮＯＦNe
３NaMg　　　　　　　　　　AlSiＰＳClAr
４ＫCaScTiⅤCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
５RbSrＹZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeＩXe
６CsBaLa～LuHfTaＷReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
７FrRaAc～LrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
族の名称を1–18族と呼ぶことに改めた長周期型周期表
1–18族（縦の同族元素のグループ）
価電子数 １２１か２３４５６７０
族→
周期		 １２３４５６ ７８９101112 131415161718
１Ｈ　　　　　　　　　　　　　　　　He
２LiBe　　　　　　　　　　ＢＣＮＯＦNe
３NaMg　　　　　　　　　　AlSiＰＳClAr
４ＫCaScTiⅤCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
５RbSrＹZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeＩXe
６CsBaLa～LuHfTaＷReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
７FrRaAc～LrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
短周期型周期表の改良版
左端のⅠ-Ⅱと右端のⅢ-Ｏとの間のⅢ-Ⅷ,Ⅰ-Ⅱ族（f軌道とd軌道）の族名を消去
f軌道とd軌道のブロックのグループ化（縦の同族元素のグループの例外）、遷移元素
族→
周期		 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ Ⅶ０
１２３３－12131415161718
１Ｈ　He
２LiBe　ＢＣＮＯＦNe
３NaMg　AlSiＰＳClAr
４ＫCa　Sc～ZnGaGeAsSeBrKr
５RbSr　Ｙ～CdInSnSbTeＩXe
６CsBaLa～YbLu～HgTlPbBiPoAtRn
７FrRaAc～NoLr～CnNhFlMcLvTsOg
超長周期型周期表
A(2)内部遷移元素C(14)遷移元素B(10)典型元素A(6)
族→
周期		ⅠAⅡAⅠC～ⅩⅣCⅠB～ⅩBⅢA～ⅧA
１２３３４５６７８９101112131415161718
１Ｈ　He
２LiBe　ＢＣＮＯＦNe
３NaMg　AlSiＰＳClAr
４ＫCa　ScTiⅤCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
５RbSr　ＹZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeＩXe
６CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaＷReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
７FrRaAcThPaＵNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
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族→
周期		 ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ Ⅶ０
１２３３－12131415161718
１1s11s2
１
Ｈ		 ２
He
２s1s2p1p2p3p4p5p6
2s2p
３
Li		４
Be		 ５
Ｂ		 ６
Ｃ		 ７
Ｎ		 ８
Ｏ		 ９
Ｆ		 10
Ne
３3s3p
11
Na		 12
Mg		 13
Al		 14
Si		 15
Ｐ		 16
Ｓ		 17
Cl		 18
Ar
４4s3d4p
19
Ｋ		 20
Ca		 21～30
Sc～Zn		 31
Ga		 32
Ge		 33
As		 34
Se		 35
Br		 36
Kr
５5s4d5p
37
Rb		 38
Sr		 39～48
Ｙ～Cd		 49
In		 50
Sn		 51
Sb		 52
Te		 53
Ｉ		 54
Xe
６6s4f5d6p
55
Cs		 56
Ba		 57～70
La～Yb		71～80
Lu～Hg		 81
Tl		 82
Pb		 83
Bi		 84
Po		 85
At		 86
Rn
７7s5f6d7p
87
Fr		 88
Ra		 89～102
Ac～No		103～112
Lr～Cn		 113
Nh		 114
Fl		 115
Mc		 116
Lv		 117
Ts		 118
Og
ab1s～7s4f～5f3d～6d2p～7p
bsブロックfブロックdブロックpブロック
c1x2=27x2=145x2=103x2=6
左記の表から特定の元素の電子数と
原子番号が求められます

周期 元素数 軌道　　　　　
１　　2　　 1s　　　　　　
２　　8　　 2s　　　　　2p
３　　8　　 3s　　　　　3p
４　 18　　 4s　　　3d　4p
５　 18　　 5s　　　4d　5p
６　 32　　 6s　4f　5d　6p
７　 32　　 7s　5f　6d　7p

abc＝電子殻a,電子軌道bの電子数がc個
（a:1～7,b:spdf,c:1～14）
電子殻a＝1～7:K～Q、
電子軌道bの軌道数＝s:1個,p:3個,d:5個,f:7個
　　軌道電子数最大 1x2　,3x2　,5x2　,7x2
　　軌道電子数最大 s:2　,p:6　,d:10 ,f:14

例：34Seセレン
周期１：1s2
周期２：2s2,2p6
周期３：3s2,3p6
周期４：4s2,3d10,4p4
cの合計＝1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p4
　　　 ＝34
よって、セレンの電子数＝34：原子番号

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◆引用の明示：Wikipedia◆
ヘリウム ネオン アルゴン クリプトン
2=2　　　　　　　　　2+8=10　　　　　　　　2+8+8=18　　　　　　 2+8+18+8=36
キセノン ラドン オガネソン
2+8+18+18+8=54　　　 2+8+18+32+18+8=86　　2+8+18+32+32+18+8=118
電子が軌道に入るときは、次の規則がある
①構成原理　　　：エネルギーの低い軌道から順に入っていく　　　（例外あり）
②パウリの排他律：１つの軌道には電子が２個まで入ることができる（スピン＝ +1/2,-1/2）
③フントの規則　：複数の軌道があるときは電子はできるだけ別々の軌道にスピンの向きを揃えて入っていく
電子軌道bの軌道数＝s:1個,p:3個,d:5個,f:7個
軌道電子数最大　　 1x2　,3x2　,5x2　,7x2　
最外殻電子数：１個～８個
最外殻電子数が８個の場合が貴ガス・不活性ガス
以下は、原子番号118のOgオガネソンの電子配置です　←　[周期表の仕組み]の表のab行から後記(1)
p軌道の前の隙間d軌道やf軌道に電子が入り込み：低いエネルギ―軌道
1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6,5s2,4d10,5p6,6s2,4f14,5d10,6p6,7s2,5f14,6d10,7p6　…　(1)
１　２　　　３　　　４　　　　　 ５　　　　　 ６　　　　　　　　７　←　周期１～７
abc＝電子殻a,電子軌道bの電子数がc個（a:1～7,b:spdf,c:1～14）
電子殻a＝1～7:K～Q、軌道電子数最大＝s:2,p:6,d:10,f:14、前記(1)を電子殻aで並べ直すと次行
1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,4d10,4f14,5s2,5p6,5d10,5f14,6s2,6p6,6d10,7s2,7p6
K　 L　　　 M　　　　　　N　　　　　　　　 O　　　　　　　　 P　　　　　　Q　←　電子殻K～Q
オガネソン＝原子核に近い内側からK殻～Q殻＝軌道殻7
電子配置　：K殻,L殻,M殻,N殻,O殻,P殻,Q殻
主量子数　：　1,　2,　3,　4,　5,　6,　7
電子収容数：　2,　8, 18, 32, 32, 18,　8　Σc
軌道の数　：　1,　4,　9, 16, 16,　9,　4　電子収容数/2
●電子の数＝2+8+18+32+32+18+8＝118：オガネソンの原子番号
電子殻K～Q＝K L M　N　O　P　Q
●元素の数＝2+8+8+18+18+32+32＝118：オガネソンの原子番号
周期１～７＝1 2 3 4　5　6　7
　ヘリウム＝2　　　　　　　　　 2 1s2
　　ネオン＝2,8　　　　　　　　10 1s2,2s2,2p6
　アルゴン＝2,8,8　　　　　　　18 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6
クリプトン＝2,8,18,8　　　　 　36 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6
　キセノン＝2,8,18,18,8　　　　54 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,4d10　　 ,5s2,5p6
　　ラドン＝2,8,18,32,18,8　 　86 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,4d10,4f14,5s2,5p6,5d10　　 ,6s2,6p6
オガネソン＝2,8,18,32,32,18,8 118 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,4d10,4f14,5s2,5p6,5d10,5f14,6s2,6p6,6d10,7s2,7p6
電子殻K～Q＝K L M　N　O　P　Q　　 K　 L　　　 M　　　　　　N　　　　　　　　 O　　　　　　　　 P　　　　　　Q　　　
　ヘリウム＝2　　　　　　　 　　2 1s2
　　ネオン＝2,8　　　　　　　　10 1s2,2s2,2p6
　アルゴン＝2,8,8　　　　　　　18 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6
クリプトン＝2,8,8,18　　　　 　36 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6
　キセノン＝2,8,8,18,18　　　　54 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6,5s2,4d10,5p6
　　ラドン＝2,8,8,18,18,32　 　86 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6,5s2,4d10,5p6,6s2,4f14,5d10,6p6
オガネソン＝2,8,8,18,18,32,32 118 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6,5s2,4d10,5p6,6s2,4f14,5d10,6p6,7s2,5f14,6d10,7p6
周期１～７＝1 2 3 4　5　6　7　　　１　２　　　３　　　４　　　　　 ５　　　　　 ６　　　　　　　　７


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基底状態の電子配置表
｜TOP
◆引用の明示：Wikipedia基底状態の電子配置表◆
最大電子数(殻)28183232188
最大電子数(副殻)2262610261014261014261026
族元素記号元素名原子
番号		1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
KLMNOPQ
第１周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１H 11
18He22
第２周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１Li321
２Be422
13B 5221
14C 6222
15N 7223
16O 8224
17F 9225
18Ne10226
第３周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１Na1110
1s … 2p
ネオン核
[Ne]		1
２Mg122
13Al1321
14Si1422
15P 1523
16S 1624
17Cl1725
18Ar1826
第４周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１K 1918
1s … 3p
アルゴン核
[Ar]		1
２Ca202
３Sc2112
４Ti2222
５V 2332
６Cr2451
７Mn2552
８Fe2662
９Co2772
10Ni2882
11Cu29101
12Zn30102
13 Ga311021
14 Ge321022
15As331023
16Se341024
17Br351025
18Kr361026
第５周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１Rb3736
1s … 4p
クリプトン核
[Kr]		1
２Sr382
３Y 3912
４Zr4022
５Nb4141
６Mo4251
７Tc4352
８Ru4471
９Rh4581
10Pd4610
11Ag47101
12Cd48102
13 In491021
14 Sn501022
15 Sb511023
16Te521024
17I 531025
18Xe541026
第６周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１Cs5554=68-14
1s … 5p-(4f)
キセノン核
[Xe]		1
２Ba562
３La5712
３Ce5846=68-(14+2+6)
1s … 5p-(4f,5s,5p)
キセノン核
[Xe]		12612
３Pr593262
３Nd604262
３Pm615262
３Sm626262
３Eu637262
３Gd6472612
３Tb659262
３Dy6610262
３Ho6711262
３Er6812262
３Tm6913262
３Yb7014262
３Lu7168
1s … 5p
キセノン核
[Xe]		12
４Hf7222
５Ta7332
６W 7442
７Re7552
８Os7662
９Ir7772
10Pt7891
11Au79101
12Hg80102
13 Tl811021
14 Pb821022
15 Bi831023
16 Po841024
17At851025
18Rn861026
第７周期　　　1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
１Fr8778
1s … 5d
ラドン核
[Rn]		261
２Ra88262
３Ac892612
３Th902622
３Pa9122612
３U 9232612
３Np9342612
３Pu946262
３Am9572 62
３Cm9672612
３Bk979262
３Cf9810262
３Es9911262
３Fm10012262
３Md10113262
３No10214262
３Lr103142621
４Rf (推定)　 104142622
５Db (推定)　 1051426 32
６Sg (推定)　 1061426 42
７Bh (計算値) 1071426 52
８Hs (推定)　 1081426 62
９Mt1091426 72
10Ds1101426 91
11Rg1111426 92
12Cn1121426102
13 Nh11314261021
14 Fl (推定)　 11414261022
15 Mc (推定)　 11514261023
16 Lv (推定)　 11614261024
17Ts (計算値) 11714261025
18Og (推定)　 11814261026
族元素記号元素名原子
番号		1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
KLMNOPQ
最大電子数(副殻)2262610261014261014261026
最大電子数(殻)28183232188
スペクトルの特徴＝s軌道(sharp)、p軌道(principal)、d軌道(diffuse)、f軌道(fundamental)
背景の色＝非金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ハロゲン、貴ガス、典型金属
遷移元素：３～12族、３族のうち原子番号＝57～70と原子番号＝89～102は内部遷移元素
[貴ガスの元素記号]：電子配置の共通項を簡略形式で表現、例：Se=[Ar],3d10,4s2,4p4

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遷移金属の電子配置
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クロム(Cr)と銅(Cu)の電子配置は次の通りです
最外殻電子4sから電子を一つ奪って3d軌道に入っています
●クロム(Cr,24)：1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d5,4s1
　d軌道に5個の不対電子が入ることで、スピンが同じ方向を向きエネルギー的に安定化します
　（d軌道が半閉殻）
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑　↑　↑　↑　↑　　
周期４Ｎ殻↑　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
●銅(Cu,29)　　：1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s1
　d軌道に10個の電子対が入ることで、d軌道の電子が全て互いに逆向きスピンで充填され、
　エネルギー的に安定化します（d軌道が閉殻）
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓　
周期４Ｎ殻↑　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
パラジウム(Pd)の電子配置は次の通りです
最外殻電子5sから電子を二つ奪って4d軌道に入っています
●パラジウム(Pd,46)：1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,3d10,4s2,4p6,4d10,5s0
　先に5s軌道から電子が入り始めますが、4d軌道に電子が入り始め4d軌道の電子が増え、
　Pdでは5s(↑↓)4d(↑↓)(↑↓)(↑↓)(↑)(↑)ではなく
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓　
周期４Ｎ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑　↑　　　　…　　　
周期５О殻↑↓　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
　　　　5s()4d(↑↓)(↑↓)(↑↓)(↑↓)(↑↓)という電子配置になります（d軌道が閉殻）
ｓ軌道┌────ｐ軌道────┐┌──────ｄ軌道──────┐ ┌───ｆ軌道───┐
周期１Ｋ殻↑↓　　
周期２Ｌ殻↑↓↑↓↑↓↑↓　　
周期３Ｍ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓　
周期４Ｎ殻↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓　　　…　　　
周期５О殻　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…　　　
遷移金属はエネルギーの近い軌道(dとs,dとf)を持つため、順番が変わることが多いので注意が必要です
電子はスピンの向きを揃えたがる性質と、できるだけ離れた電子軌道に入ろうとする二つの重要な性質
があり、最終的に原子全体としていかにバランスよく電子配置するかという観点で電子を配置します
dブロック(3d～6d)の例外１:
d軌道の副殻は、s軌道の副殻から1個の電子(パラジウムの場合は2個)を「借ります」
fブロック(4f～5f)の例外２:
d軌道の副殻は、f軌道の副殻から1個の電子(トリウムの場合は2個)を「借りる」ことがよくあります
pブロック(2p～7p)の例外３:
1970年、ローレンシウム(Lr,103)の基底状態の電子配置は、構造原理に従って、[Rn]5f146d17s2であり、
同族体であるルテチウムの[Xe]4f145d16s2とも合致すると予測された
しかし翌年、この予測に疑義を唱え、その代わり、[Rn]5f147s27p1という異常な電子配置を取るとする
計算結果が公表された

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電子配置展開
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電子の(spdf)軌道とスピン(↑↓)
直線結び
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岩石・鉱物・鉱石

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岩石火成岩火山岩流紋岩、安山岩、玄武岩、響岩
深成岩花崗岩（御影石）、閃緑岩（黒御影石）、斑れい岩（黒御影石）、閃長岩
堆積岩砂岩、泥岩、礫岩、チャート、石灰岩、凝灰岩、頁岩、粘板岩、珪藻土
変成岩千枚岩、片岩、片麻岩、角閃岩、緑色岩、大理石、白粒岩、榴輝岩
その他かんらん岩（上記全て地殻の岩石、かんらん岩はマグマを構成する岩石）
鉱物石英、長石、雲母、宝石類
鉱石金、銀、銅、鉄、鉛、錫、燐、硫黄など、資源として有用な鉱物

次へ｜前へ｜TOP 12．量子論　ミクロの世界の不思議なルール

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量子論が作られた経緯

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年代物理学者アイデア
量子論
の誕生		1690ホイヘンス光の波動説
17世紀末ニュートン光の粒子説
19世紀初頭ヤングヤングの実験
1873マクスウェル光は電磁波の証明
1888ヘルツ光電効果を発見
前期量子
論の時代		第１期1900年代プランクエネルギー量子仮説
アインシュタイン光量子仮説
第２期1910年代ラザフォード原子核の発見
ボーア原子構造の量子論
現代的な
量子力学		第３期1920年代ド・ブロイ物質波の提唱
ハイゼンベルク行列力学
シュレディンガーシュレディンガー方程式
ボルン物質波は確率の波
ハイゼンベルク不確定性原理
ボーアとハイゼンベルクコペンハーゲン解釈
ディラックディラック方程式
量子力学
の発展		1930年代～エヴェレット多世界解釈
南部陽一郎対称性の自発的な破れ
ゲルマンとツヴァイククォークモデルを発表
ピーター・ヒッグスヒッグス機構
ワインバーグら電弱統一理論
ワインバーグと小林・益川標準模型（標準理論）
ジョージとグラショウ大統一理論
相対性理論はアインシュタイン１人がほぼ独力でつくりあげた
量子論は何人もの天才物理学者がアイデアを出し合って作られた

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光の波動説と粒子説
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　　　ホイヘンスの波動説：実体が移動するのでなく、それぞれの地点で振動が起こっている
　　　ニュートンの粒子説：「粒子」という実体がＡからＢへ移動する
　　　ヤングの二重スリット実験　：光の干渉は波の性質の証拠
　　　マクスウェルの電磁波の予言：光は電磁波の一種である、ヘルツによる電磁波の発見
　　　アインシュタインの光量子説：光電効果は光が粒子なら説明がつく、コンプトン効果
　　　ド・ブロイの物質波　　　　：波と粒子の二面性は光だけでなくほかの物質にもある
　　　コペンハーゲン解釈　　　　：量子は波と粒子の二面性をもつ、量子の相補性

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波と粒子の二重性
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「粒子の運動」　⇒　「波の塊の移動」
電磁波の「波動性」：波長が長くなるほど、波の回折現象や干渉現象など「波動性」が顕著に表れる
電磁波の「粒子性」：波長が短くなるほど、波の性質が目立たず直進する「粒子性」が顕著に表れる
「粒子性」とは電磁波が数えられることを指し、１個１個のエネルギーの“かたまり”を光子と呼ぶ
「粒子性」：位置は精度よく定まるが、波長は不確かになる（波長が短い塊　　　 ⇒ 　　　）
「波動性」：波長は精度よく定まるが、位置は不確かになる（波長が長い波　　　　　　　　）
光子の実体は、短い(多くの場合数cm～数mの)切れ端のような電磁波(切れ端１個はある波長で振動)
光子の運動量p=mc(質量×光速),プランク定数h,波長λ=h/p
　　　光子の質量は0なので質量とエネルギーの等価式E=mc2を用いてm=E/c2,p=E/c,
　　　光子の振動数をνとすると、E=hν,c=νλの関係からp=h/λと変形できます
　　　プランク定数h=6.62607015×10−34Jsは非常に小さいので極微で意味がある
コペンハーゲン解釈：電子の波は電子の発見確率,振幅が大→発見確率が大,振幅が小→発見確率が小
　　　量子の世界の「波と粒子の二重性」は、経験的理解を超え、直観的理解が難しい部分がある
　　　素粒子のスピンの性格、パウリの排他律、トンネル効果、量子もつれ等も同様に難解である
波の性質である波長と粒子の性質であるエネルギーは密接な関係がある
　　　ミクロの世界のエネルギー単位：1eV=1電子を1ボルトで加速時のエネルギー
　　　光子のエネルギーは波長に逆比例する　…　E=(hc)/λ
　　　3evの紫色の光の波長は0.4ミクロン、2evの赤色の光の波長は0.7ミクロン

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光子の静止質量は０
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特殊相対性理論において、エネルギーＥと運動量ｐの間に、
　　 Ｅ2
　　――＝ｍ2ｃ2+ｐ2なる関係が成立します　…　（Ａ）
　　 ｃ2
光子の場合、ｐ＝ｍｃ＝Ｅ／ｃからエネルギーＥと運動量ｐの間に
　　　Ｅ＝ｃｐなる関係が成立しますので、　…　（Ｂ）
Ａ式とＢ式が等価になるためにはＡ式の質量ｍは０でなければならないのです
Ｅ＝ｍｃ2という式は物質が消滅(質量＝０)すると発生するエネルギーの式で、
アインシュタインがｍ＝Ｅ／ｃ2を一般向けに平易に書き換えた式です
質量とエネルギーの等価原理

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相対性理論の概要
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1905年特殊相対性理論
　　運動を見る視点の側の限定条件：等速運動または静止
　　光速不変：光の速度はどのような立場から見ても一定である、光よりも速い速度はあり得ない
　　同時性の破れ：異なる位置における同時性は、慣性系によって変わる（光速不変の原理による）
　　　　　　　　　電車の中央から両壁に光を発射、電車内にいる観測者は両壁到達が同時
　　　　　　　　　外のホームにいる観測者には準光速走行電車の両壁到達は同時ではない
　　時間の相対性：光の速度に近づくと、時間の流れはゆっくりになる
　　Ｅ＝ｍｃ2（Ｅ：エネルギー、ｍ：質量、ｃ：光速）
　　質量をエネルギーに、エネルギーを質量に変えられる

1916年一般相対性理論
　　空間の相対性：重力の大きいところでは空間がゆがむ、大きな重力は光さえも曲げる
　　時間の相対性：重力の大きいところでは時間の流れはゆっくりになる

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マクスウェルの方程式
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　　ファラデーの電磁誘導の法則　磁場が時間変化すると電場が生まれる
　　アンペールの法則　　　　　　電流のまわりに磁場ができる
　　電場のガウスの法則　　　　　電場は＋電荷から出て－電荷に吸い込まれる(＋極／ー極)
　　磁場のガウスの法則　　　　　磁場は湧き出しも吸い込みも起こらない(常にNSペアの場)

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光は電磁波（電磁波の発生原理）
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２枚の電極→交流電圧→変動する電場→変位電流→変動する磁場発生→変動する電場発生
　　　　　→２枚の電極のすき間に電場と磁場が交互にあらわれる電磁波が発生し、
　　　　　周辺に伝わっていく（光：電磁波：電子の往復運動で生じる）
　　　　　電流（電子の流れ）は磁場を作る─┐
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　├→電磁場の振動＝電磁波＝光
　　　　　磁場の変化は電流を作る─────┘

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量子論(量子力学)
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1900年プランクのエネルギー量子仮説　…　（量子論の父）
　　溶鉱炉の鉄の温度と光の色の研究過程で光のエネルギーはとびとびであることを発見
　　黒体放射の研究からＥ＝nｈν(n=0,1,2,...)という数式を考案(ｈ：プランク定数)
　　光のエネルギーの量子化、光＝波長が連続的な波、を覆す？考え方
　　νという振動数(色)をもった光はｈνの整数倍のエネルギーしか吸収も放射もできない
　　プランクは光とは言わず「振動子」と呼んでいた
　　光のエネルギーＥ,振動数ν,プランク定数ｈ＝6.62607015×10−34Js(Js＝m2kg/s)
　　名言　…　すべての物質は固有の振動数を持つ

1905年アインシュタインの光量子仮説
　　プランクのエネルギー量子仮説にヒントを得て光量子仮説を発表
　　光はエネルギーをもつ粒の集まり、光電効果→光は粒である
　　1905年は、アインシュタインが３つの大きな発見を発表した奇跡の年です
　　特殊相対性理論、光量子説に基づく光電効果の理論、ブラウン運動の理論、が
　　たった一人の物理学者によって提唱されました
　　100年目の2005年を世界物理年と制定、6月30日はアインシュタイン記念日
　　光がある一定の波長より短いと金属表面から電子が飛び出し、より長いと電子は飛び出さない
　　光のエネルギーＥ,振動数ν,プランク定数ｈ,波長λ,仕事関数Ｗは金属内の電子取出エネルギー
　　光量子説：Ｅ＝ｈν － Ｗ：放出電子のエネルギー最大値、光の粒子の振動数の量子化
　　　　　　　　　　　　　ｃ
　　ｃ＝λν　から　Ｅ＝ｈ─ － Ｗ　左式によりある一定の波長より短い必要性がわかる
　　　　　　　　　　　　　λ
　　光は量子化された粒子であるとすると光電効果を説明できる
　　　　・光量子の数を増やす　　→金属表面から飛び出す電子の数が増える
　　　　・光量子の振動数を増やす→金属表面から飛び出す電子のエネルギーが増える

1913年ボーアの原子構造の量子論　…　（量子論の育ての親）
　　1911年、原子の中心には原子核があるとラザフォードが主張した　…　（原子核物理学の父）
　　入射したアルファ粒子の偏向からラザフォード散乱による原子核の発見
　　バルマーは水素ガスに電圧をかけると４色の光の波長に規則性があることに気づいた
　　ボーアの原子構造の量子論はバルマーの発見の話にヒントを得た
　　原子核の周りをまわる電子の軌道はとびとびの円軌道
　　電子の軌道半径Ｒは必ず次の条件を満たす(ｐ：電子の運動量、ｎ：任意の自然数)
　　２πＲｐ＝ｎｈ (ｎ＝１：基底状態、ｈ：プランク定数)　…　ボーアの量子条件
　　電子が光子を放出・吸収して軌道を飛び移る際に生じる線スペクトルを説明できた
　　ボーアは量子条件の物理的な意味がわからなかったがその理由を考えたのがド・ブロイ
　　ラザフォードは後に陽子を発見、中性子の存在を予想、チャドウィックが中性子を発見

1924年ド・ブロイの物質波の提唱
　　ド・ブロイはボーアの電子のとびとび軌道の直観にボーアに代わってその理由を考えた
　　アインシュタインの光量子仮説を参考に物質の正体は波であるとして物質波と名付けた
　　電子の波が消えないためには電子の軌道の１周の長さは波の波長の整数倍に限られる
　　１周の長さが波長の整数倍、量子条件とは電子の波動性を示すものであった
　　ド・ブロイが提唱した物質波の概念を知ったシュレディンガーはこれは面白いと思った
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ｈ
　　２πＲ＝ｎλ　よって　ｐλ＝ｈ　から　λ＝──　(ｍ：質量、v：速度、ｐ＝ｍｖ)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｖ

1925年ハイゼンベルクの行列力学
　　量子力学の最初の厳密な定式化
　　行列力学は量子の世界を粒子の側面から離散的にとらえ、　　　…　ハイゼンベルク
　　波動力学は量子の世界を波動の側面から連続的にとらえている　…　シュレディンガー
　　のちにディラックが発見した変換理論（一般的で抽象的な理論）により行列力学と
　　波動力学がつなげられ、一方の形式から他方の形式に変換できるようになりました

1925年シュレディンガー方程式の誕生
　　量子力学の基礎方程式：物質波の方程式
　　波の高さ(振幅)は複素数の縦軸、面積のような高さをもつ波
　　波の横軸は電子が存在する場所の広がりを表す
　　物質波の伝わり方を計算する方程式
　　波全体がある時刻における１個の電子の状態を表している
　　角振動数ω=２πν、Ψ＝Ａcos(ｋｘ－ωｔ)＋ｉＡsin(ｋｘ－ωｔ)＝Ａｅi(kx-wt)
　　　 ∂Ψ　　　　　　
　　ｉħ──＝ＨΨ＝ＥΨ　…　時間依存型線型偏微分方程式
　　　 ∂ｔ　　　　　　
　　ｉ：虚数単位、ｈ：プランク定数、ħ＝(ｈ／２π)：ディラック定数
　　Ψ：座標表示の波動関数(プサイ)は確率振幅を表わす関数(波の高さ)
　　Ｅ：エネルギー固有値
　　Ｈ：ハミルトニアン、位置ｘと時間ｔ依存運動量の関数＝運動エネルギー＋位置エネルギー
　　　　運動エネルギーＴ、位置エネルギーＶ、質量ｍ、全エネルギーＥ＝Ｔ＋Ｖ＝Ｈ
　　　　　　　 ħ2　　∂2
　　　　Ｈ＝－──・──＋Ｖ (ｘ,ｔ)
　　　　　　　２ｍ　∂ｘ2
　　シュレディンガーは彼のアプローチが行列力学と等価であることを示すことができた
　　シュレディンガーの波動方程式は「観測前の波の状態」から、
　　観測によって「粒子が出現する座標(横軸)の確率(縦軸)」を予測する計算式のことです

1926年ボルンの主張した物質波の正体
　　シュレディンガーたちは物質波とはどんなものか示せず困っていた
　　ボルンは物質波の正体は確率の波であるという新たな仮説を主張した
　　電子のような小さな粒子の観測確率は波動関数の絶対値の２乗に比例する
　　物質波は確率の波、波動関数を電子位置の確率密度と考える解釈＝統計的解釈
　　ある位置で電子が見出される確率はボルンの規則で与えられる（波動関数の確率解釈）
　　　　・波の高いところほど電子が発見される確率が高い
　　　　・見られる前の電子はさまざまな場所に広がっている(状態の重ね合わせ)
　　　　・見られた途端に波は収縮して電子は１箇所で発見される
　　　　Ｐ＝|Ψ|2、確率Ｐ、波動関数Ψ、確率密度関数|Ψ|2　…　ボルンの規則

1927年ハイゼンベルクの不確定性原理
　　ミクロの物質は位置と運動量を同時に確定することができない
　　電子の位置の測定誤差⊿ｘは光の波長λの程度
　　電子の運動量の測定誤差⊿ｐは⊿ｘ⊿ｐ≧ｈ(プランク定数)/4π
　　　　　　　　　　　　　　　　⊿ｘ⊿ｐ≧ħ(ディラック定数)/2
　　位置と運動量の両者の不確かさを同時になくすのは不可能である
　　粒子の位置と運動量の測定に、必ず一定以上の不確かさが残ることを示す
　　運動量演算子ｐを波動関数ψに作用させ(ｐｘ－ｘｐ)ψを計算すると次式（[ｘ,ｐ]:ｑ数）
　　ｐｘ－ｘｐ＝ｈ／(２πｉ)、ｘ：位置、ｐ：運動量　…　ディラックの量子条件
　　観測者効果ではなく、量子的なゆらぎによるとして改良された小澤の不等式が後日発表された
　　⊿ｘ⊿ｐ＋σｘ⊿ｐ＋σｐ⊿ｘ≧ｈ/4π　…　ハイゼンベルクの式に２項追加
　　σｘ、σｐ：物体の位置と運動量が、測定前にもともと持っていた量子ゆらぎ（標準偏差）

1927年コペンハーゲン解釈
　　ボーアとハイゼンベルクは量子力学における正統的な解釈としても知られる
　　コペンハーゲン解釈をまとめた(名前の由来はボーア研究所の所在地)
　　標準解釈：ノイマンが1932年に行った定式化は
　　　　・量子系と観測者(観測装置)を分離する(２つの境界はどこに引いても良い)
　　　　・量子系の状態は、観測していないときはシュレディンガー方程式に従う
　　　　・観測により波動関数が収縮して、１つの測定値が得られる
　　　　・どの測定値が得られるかは確率的であり、ボルンの規則に従う
　　電子の運動はシュレディンガー方程式を満たす波動関数Ψ(ｒ,ｔ)で記述される
　　波動関数は一般に複素関数で、空間的に広がりを持ち、干渉や回折などの波に特有な性質を現す
　　電子の位置を実験的に観測した場合には電子はある一点に見出され、広がりを持たない
　　位置ｒの周りの微小体積ｄｒに電子が発見される確率Ｐは |Ψ(ｒ,ｔ)|2ｄｒに比例する
　　電子は空間のどこかに存在するはず　→　∫Ｐｄｒ＝１　規格化された波動関数
　　規格化：全空間での積分が１になるような比例定数を見つけるだけの作業、波動関数の調整
　　電子は波であり粒子である
　　　　・波と粒子の両方の性質を取り入れて新しい量子力学の理論が作れる
　　　　・電子は観測されないときだけ、波として広がっている
　　　　・さまざまな場所にいる状態が重ね合わさってる、状態の重ね合わせ
　　　　・電子を観測すると電子の波は一瞬で収縮する
　　　　・状態の重ね合わせが解除されて、波が一点に集まり電子は粒子の姿に見える
　　　　・波の収縮場所は波動関数の確率解釈で決まる

1928年ディラック方程式
　　シュレディンガー方程式を特殊相対論の要請を満足するように修正した方程式
　　ディラックは、この方程式によりコペンハーゲン解釈の問題点を解消させた
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奇妙な量子力学

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量子力学的な現象コペンハーゲン解釈
波と粒子の二重性量子は波の性質と粒子の性質をもつ、同時両有は排除するが相補性がある
不連続性　　　　粒子が吸収・放出するエネルギーはとびとび、エネルギーは光子のような量子
不確定性原理　　観測が粒子の状態を乱すため、位置と運動のどちらかの正確性が失われる
確率解釈　　　　波動関数の絶対値の２乗は粒子の存在確率を示す
重ね合わせ　　　観測する迄は波動関数がとり得るさまざまな状態にある
トンネル効果　　反射と透過の重ね合わせ、量子がエネルギーの壁を確率的にすり抜ける現象
排他原理　　　　物質を構成する粒子は、同じ種類が１つの場所に同時には存在しえない
非局所性　　　　量子もつれ状態が局所性を破るＥＰＲパラドックス、量子テレポーテーション
注：反射と透過の重ね合わせ＝粒子の存在場所の重ね合わせ、（広がりがある）波ならではの現象

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ミクロの世界のルール
｜TOP
　　ミクロの世界のルールが判明：ボーア、ボルン、ハイゼンベルグが主張
　　ルールその１：ミクロの物質のふるまいは、ミクロの物質の正体を波と考えれば説明できる
　　ルールその２：ミクロの物質のふるまいは、確率的にしかわからない
　　プランク、アインシュタイン、ド・ブロイ、シュレディンガーは、ルールその２に絶対反対

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ＥＰＲパラドックス
｜TOP
アインシュタインら３名の名前の頭文字からＥＰＲと称し、量子もつれ(絡み合い)状態の非局所
性を指し、量子の状態は特定の状態にはなく、誰かが観測した瞬間にその状態が決まると考える
すると、関係しあう２個の量子は、一方の量子の状態が決定すると、はじめて他方の状態も決ま
るということが起こり、これらの量子をはるか遠方に引き離してもそれは同じだという

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量子エンタングルメント
｜TOP
量子エンタングルメント（量子もつれ）は、観測された一方の粒子から、
もう一方に情報が（光速を超えて）伝達されることではなく、
互いに離れた粒子の性質が、セットで決まっていることだと考えられている

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量子テレポーテーション
｜TOP
　　送りたい光子状態：光子Ｘの状態　…　例：水平偏光と垂直偏光の重ね合わせ
　　　　↓
　　転送光子準備：ＥＰＲ対(量子もつれの関係)の光子Ａと光子Ｂの生成
　　　　↓
　　光子Ｂの転送
　　　　↓
　　光子Ｘと光子Ａは量子もつれ状態でベル測定(光子Ｘと光子Ａを同時に観測)
　　　　↓
　　測定結果の古典通信：２ビット値(00,01,10,11)のいずれかを送信(光子Ｘのズレの補正)
　　　　↓
　　受信した測定結果から光子Ｂの偏光操作(補正後の光子Ｂ＝光子Ｘ)
　　　　↓
　　光子Ｘの復元(状態情報の復元)
ベル測定：ハーフミラーを用いたビームスプリッターでは、２光子の反射と透過の２種の
　　　　　組み合わせで４通りあり、この状態を測定することをベル測定と言う
　　　　　２光子は同時にビームスプリッターに達するようにしなくてはいけない
　　量子もつれを生かし、物質の状態をそっくり迅速に遠くへ移すこと
　　もつれた粒子対(EPR対)の片方を送り手が、他方を受け手がもつ
　　送り手の粒子を第三の粒子ともつれさせ、この観測結果を通常通信で
　　受け手に知らせると、その情報を使って受け手の粒子に第三の粒子の
　　状態を再現できる

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波と粒子の二重性は量子の相補性の現れ
｜TOP
　　量子の状態を完全に表現するには波の性質と粒子の性質のどちらも必要
　　ボーアはこの性質を「相補性」と呼ぶ
　　位置を特定すると速度が曖昧になり速度を特定すると位置が曖昧になる
　　という不確定性原理も、相補性の現れであるとされる

TOP｜
多世界解釈の登場
｜TOP
　　波の収縮は起こらず、観測された瞬間の波の収縮をシュレディンガー方程式から数学的に導く
　　ことは原理的に不可能であるとジョン・フォン・ノイマンが証明した
　　状態の重ね合わせでなく多数の世界の同時存在として説明し直したが多数の世界の同時存在の
　　証明はできていない(分岐した世界は孤立しているとされている)

TOP｜
量子場の理論
｜TOP
　　ディラックが創始した理論、場の量子化、場の量子論の原型はハイゼンベルクとパウリが創った
　　従来の量子力学では素粒子が生成・消滅しないものと考え、その座標や運動量を演算子で表すが、
　　空間の各点での場や粒子数を演算子とし（場の量子化）、その変化を量子論的に追求する理論
　　これにより素粒子の性質（生成・消滅も含めて）、それらの間の相互作用が統一的に記述される
　　波または粒子が実在するのではなく、場が振動することで波や粒子に見える
　　振動が広い範囲で連動すると波に見え、長い時間保持する振動は粒子に見える
　　力の相互作用はゲージ粒子のキャッチボールではなく、波でもあり粒子でもあるような場の振動
　　　　　　　　　　量子電磁力学、量子色力学、電弱相互作用の理論

TOP｜
量子宇宙論
｜TOP
　　　　　　　　　　　　　量子論に基づいて宇宙の始まりを考える
ビッグバン宇宙（確実に正しい）
　　ジョルジュ・ルメートルが宇宙膨張説を発表
　　エドウィン・ハッブルが膨張宇宙を発見、遠くの銀河ほど遠ざかる、空間自体が膨張
　　ガモフの火の玉宇宙論（ビッグバン理論）
　　宇宙マイクロ背景輻射（ＣＭＢ）の発見：宇宙が昔高温・高密度であった痕跡
　　ＷＭＡＰ・Planck衛星が描く宇宙創成３０万年後の宇宙地図（宇宙の晴れ上がり面）
　　宇宙マイクロ波背景放射の温度ゆらぎはビッグバン理論の予言と一致
ビッグバン以前（理論的予想）
　　真空は時空の泡状態で粒子・反粒子が生成・消滅している状態
　　真空のエネルギーを想定したインフレーション理論など様々なインフレーション理論
　　ビレンケンの無からの宇宙創成論：量子トンネル効果によって無から極小な宇宙が生まれた
　　宇宙が虚数の時間に生まれたというホーキングの無境界仮説
　　誕生直後の宇宙の半径はプランクサイズ→インフレーション→ビッグバン宇宙の誕生

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ミクロを見る量子力学、宇宙を見る相対性理論
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人間スケール　　…　古典物理学：力学、電磁気学、熱力学、物性物理・化学、天体物理学・・・
ミクロの世界　　…　量子物理学：核物理、素粒子物理、確率解釈、場の量子論、相対論的量子論
宇宙スケール　　…　相対性理論：４次元時空、重力理論、光速不変、Ｅ＝ｍｃ2
　　　　　　　　　　上記３つの物理学領域は一部重なり合っている

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量子力学における解釈問題
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「量子」は物質ではなく、波動性を持った状態で「エネルギー」として存在していて、
外部からの観測のエネルギーを受けた瞬間に一点に収縮した「粒子」となって出現します

この「エネルギー状態の量子」が外部からの観測のエネルギーを受けた瞬間に一点に収縮
した粒子となって出現する現象のことを波動関数の収縮（＝デコヒーレンス）と呼びます

「量子レベルの物質」は実際に観測されたものだけが物質化しており、観測されない限り
「そこにあるかもしれないし、ないのかもしれない」
　という『可能性の波』として存在しているということです
「見ていないものは存在すらしないのかもしれない」というような話です

コペンハーゲン解釈は観測できない観測以前の状態を推測して自然界の法則を導こうとする
論理的な仮説でしかなく、そもそもどれが絶対的に正しいという話でもありません

　　　　　　　　人間は、量子の振る舞いに関するその考え方を正しいか、
　　　　　　　　間違っているかと判断する手段を持ち合わせていない。
　　　　　　　　そのような考え方をしたところで実際には何の矛盾も
　　　　　　　　起きないからこそ採用する。
量子力学は人間の脳が理解できる限界を超えた現象をあるがまま法則として受け入れていると
していますが、とりあえずはそうしておいて、いつの日にか壁を越えて終着駅にたどり着ける
こともかすかに期待しつつ、量子論のおかげで成り立つ最新技術の製品を手にしながら自らを
納得させておきます

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量子論のおかげで成り立つ最新技術
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半導体と量子論　　…　半導体の仕組みはバンド理論によって説明できる
　　　　　　　　　　　光のエネルギーを電気に変換する、電気のエネルギーを光に変換する、
　　　　　　　　　　　電気の流れを制御できる
　　　　　　　　　　　情報機器、家電製品、LED電球
超流動と超伝導　　…　液体ヘリウムの超流動はボース＝アインシュタイン凝縮で説明される
　　　　　　　　　　　超流動が電子で起こると超伝導と呼ばれ、クーパー対を作った電子は
　　　　　　　　　　　ボース粒子としてふるまう
　　　　　　　　　　　超伝導体だけで作った回路は電気抵抗がなくなり永久電磁石になる
　　　　　　　　　　　リニアモーター
量子コンピュータ　…　量子論的な状態の重ね合わせの原理にもとづく量子ビットを用いる
量子もつれ　　　　…　量子テレポーテーション
TOP｜未来光円錐｜TOP
３次元空間＋１次元時間＝４次元時空を表現する「光円錐」（の上半分）
　　　　　　　　　　　　　　　　　 時間 　　　　　　　　　　　　　　　　　 
　　・←──────────────・──────────────→・　　 
　　　＼　　　　　　　　　　　　　　↑　　　　　　　　　　　　　　／　　　 
　　　　＼　　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　　　　／　　　　 
　　　　　＼　　　　原点から出発　　│　原点から出発　　　　　／　　　　　 
　　　　　　＼　　　した光が到達　　│　した光が到達　　　　／　　　　　　 
　　　　　　光＼　　し得る範囲　　　│　し得る範囲　　　　／光　　　　　　 
　　　　　　　速＼　　　　　　　　　│　　　　　　　　　／速　　　　　　　 
　　　　　　　　の＼　　　　　　　　│　　　　　　　　／の　　　　　　　　 
　　　　　　　　　傾＼　　　　　　　│時　　　　　　／傾　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　き＼　　　　　　│間　　　　　／き　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　＼　　　　　│の　　　　／　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　＼　　　　│流　　　／　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　＼　　　│れ　　／　　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　＼　　│　　／　　　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　＼　│　／　　　　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　未来＼│／未来　　　　　　　　　　　　　　　 
空間・←──────────────●──────────────→・空間 

　　事象の地平線（光速の壁）の外側は認識できない領域　＝　存在しない？　　
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＜宇宙の根本原理＞

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　　　エントロピー増大の法則：自発変化の方向を示した法則であり、
　　　　　　　　　　　　　　　その方向とは不可逆的な無秩序化だということです
　　　エントロピーが低い状態：整然、エネルギーの質＝高い（利用しやすい）
　　　エントロピーが高い状態：乱雑、エネルギーの質＝低い（利用しにくい）
　　　エントロピー増大リスク：超新星爆発、小天体の衝突、気候温暖化
　　　宇宙の歴史の根源的な流れ　→　エントロピー減少の方向に進んでいる
　エネルギーの凝集により物質（光子→素粒子→核子→原子核→原子）が生まれる
　　　原子の凝集→核融合→太陽→ダストの凝集→惑星→有機物→生命の誕生
　　　太陽→植物の光合成→酸素→多細胞生物→生物の陸上進出→人類の出現
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長さの単位

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1ｍ以下
1ｍ以下10-24ｍ10-21ｍ10-18ｍ10-15ｍ10-12ｍ10-9ｍ10-6ｍ10-3ｍ10-2ｍ10-1ｍ100ｍ
長さ1ｙｍ1ｚｍ1ａｍ1ｆｍ1ｐｍ1ｎｍ1μｍ1ｍｍ1ｃｍ1ｄｍ1ｍ
呼び方ヨクトゼプトアトフェムトピコナノマイクロミリセンチデシ
1ｍ以上
1ｍ以上100ｍ101ｍ102ｍ103ｍ106ｍ109ｍ1012ｍ1015ｍ1018ｍ1021ｍ1024ｍ
長さ1ｍ1ｄａｍ1ｈｍ1ｋｍ1Ｍｍ1Ｇｍ1Ｔｍ1Ｐｍ1Ｅｍ1Ｚｍ1Ｙｍ
呼び方デカヘクトキロメガギガテラペタエクサゼタヨタ
倍数一十百千百万十億一兆千兆百京十垓一秭
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宇宙～人間～素粒子

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時間スケール空間スケール
時間長さ
宇宙の年齢　　138億年＝1.38×1010年×3.15×107秒4.35×1017秒1×1026ｍ(138億光年)観測可能な宇宙の果て
1×1021ｍ(10万光年)天の川銀河
人間の寿命　　85歳×365日×24時間×3600秒2.68×109秒
ハツカネズミの寿命１年＝365日×24時間×3600秒3.15×107秒3×1016ｍ(3.15光年)太陽系
カゲロウ成虫の寿命１日＝24時間×3600秒＝86400秒8.64×104秒9×1012ｍ(10億km)海王星の公転直径
1.3×107ｍ(1.3万km)地球
1×103ｍ(1km)百蔵山
1ｍ人間(四歳児)
ハイペロンの寿命10-10秒3.5×10-2ｍ(3.5cm)メダカ
10-6ｍ(1μｍ)細菌
10-10ｍ(0.1nｍ)原子
10-14ｍ(10fｍ)原子核
最短寿命素粒子⊿5×10-12秒×10-12(1兆分の5秒の1兆分の1)5×10-24秒10-18ｍ(1aｍ)素粒子
プランク時間5.391×10-44秒1.616×10-35ｍプランク長
行間はおおむね10の±３～４乗となっています
時間スケール(秒)の各行の時間を空間スケール(ｍ)の各行の長さにするには光速(3×108ｍ/秒)をかければ良い
時間スケールで示された時間内に光の信号が到達できる距離が空間スケールで示される長さになっています
時間スケールの時間の記載がない行は空間スケールの長さ(ｍ)に光速の逆数(3.33×10-9秒/ｍ)をかければ良い
 人間スケールで見てみると、大きさに関しては大きからず小さからず図のなかほどで中間的な存在なのです
時間に関しては人間の寿命が宇宙の年齢と同じくらい長いのには驚かされます
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参考図書｜TOP
タイトルクリックすれば書影が出ます
　　　　 　　　タイトル　 　　　　　　　 ：　 　　　発行所　 　 発行
・びっくりするほど素粒子がわかる本(elem) ：　　SBクリエイティブ 2009年
・素粒子の世界(elem) 　　　　　　　　　　：　　　　　　　洋泉社 2013年
・ニュートン式超図解最強に面白い素粒子(elem)　： 　　　 NEWTON PRESS 2022年
・マニアのための素粒子物理入門(elem) 　　：　　　　　　独立出版 2023年
・宇宙は何でできているのか(elem) 　　　　：　　　　　　　幻冬舎 2010年
・量子論のすべてがわかる本(ptcl) 　　　　：ワン・パブリッシング 2020年
・図解相対性理論と量子論(ptcl) 　　　　　：　　　　　 PHP研究所 2006年
・図解相対性理論と量子論(ptcl) 　　　　　：　　　　　学研プラス 2018年

８．ミクロの世界　超々微小の物質世界に働く３つの力(elem)　　　　　　　　
９．ミクロな粒子　超々微小の物質を構成する素粒子(ptcl)　　　　　　　　　
10．放射線　　　　放射線と原子力、放射性物質、宇宙線(ptcl)　　　　　　　
11．元素と周期表　元素記号一覧、周期表、周期表の仕組み、電子配置(ptcl)　
12．量子論　　　　ミクロの世界の不思議なルール(ptcl)　　　　　　　　　　
HP作成者：

中村三郎

,船橋市咲が丘