原子が実在する根拠

岡山理科大学 理学部 化学科 高原 周一

＜質問＞

 原子論（＝全ての物質が原子から できているという説）を信じますか？  なぜ原子論を信じるのですか？

話の概略

原子論（＝すべての物質は原子からできてい るという説）の歴史を紹介する． 多くの科学者が参加した壮大なドラマ． 「科学的」とはどういうことか？ 理系の学生なら一度は考えてほしいこと．

古代原子論 （古代ギリシャ時代）

デモクリストは2000年以上前に現代原子論とほぼ同じことを 考えた． ① 世界は幾種類かの原子と空虚な空間からなっている． ② すべての変化は原子の離合集散によって説明できる． 古代原子論は空想の域を出なかった．

現代原子論が着想されるまで 中世ヨーロッパでは錬金術が盛んに研究された． アリストテレスの四元素説： 「空気，水，土，火」 17世紀後半，ボイルは「懐疑的な化学者」で四元 素説を批判した． 元素： 実験的にそれ以上簡単な物質に分解しな いもの 18世紀後半から，次々と元素が発見された． （水素，塩素，酸素，様々な金属元素など）

ドルトン・アボガドロの原子説・分子説 (19世紀前半） １つの元素には 1 つの原子が対応している． 原子が結合して分子を作る． 全ての物質は分子が集まってできている． 原子説・分子説の根拠 質量保存の法則 定比例の法則 倍数比例の法則 気体反応の法則

19世紀の化学者による 原子論に関連する研究 精密な原子量の決定 原子価概念の有効性の確認 周期律の発見 周期律を用いた新元素の発見 この時点で，高校化学で習う原子論の 内容はほとんど登場していた．

原子論に対する反論 実際原子を観測したわけではないので，信じ ることはできない． 原子の結合の理由，原子価の成立原因が示 されていない． etc…

原子価はどのようにして決まるか O H H ２０世紀に発見された 量子力学 を用いないと 説明不可能！

原子論者とエネルギー論者の論争 （１９世紀後半） エネルギー論 実験で確認できないので，原子の存在を認めない． 実験で確認できる熱力学は認める． マッハ，オストワルト（後にノーベル化学賞受賞） 原子論 様々な現象の説明を可能とするので，原子の存在 を認める．

PV

=

RT

の原子論的説明，アボガドロ数 決定などの成果． ボルツマン

アインシュタインのブラウン運動の理論 ブラウン運動の原因は分子の不規則な衝突． この理論は，ペランによって実験的に確かめられた．

原子の存在の証拠 （２０世紀） ブラウン運動． 昼間の空が明るいこと． 様々な方法で求められたアボガドロ数の一致． （～６×１０ 23 個 /mol ） 量子力学による理論的説明． 原子論に基づく科学・技術の発展． 走査トンネル顕微鏡等による原子の直接観察． etc.

原子論に基づく科学・技術の発展全般

原子論をめぐる歴史からわかること 今では当たり前の「原子」という概念も，多くの科学 者の長年にわたる努力の末に確立された． 科学は大いなる空想をともなう仮説から始まる． → 自由な発想がブレークスルーを生む． 仮説は，懐疑論者の批判に耐え，多面的で大量の 実験データにより支持されて，初めて科学的真理と なる． → 「ほんとうに？」と疑う心を忘れずに．

アボガドロ数と原子の大きさ

炭素１２ｇ （＝ 1mol） アボガドロ数 大 原子の大きさ 小 アボガドロ数 小 原子の大きさ 大

アインシュタインのブラウン運動の理論（２） 微粒子の拡散速度はアボガドロ数と関係する． アボガドロ数 大 → 原子 小 アボガドロ数 小

→

原子 大 ブラウン運動より決定されたアボガドロ数は， 他の方法で見積もられたアボガドロ数と一致した．

地球

空が青い理由

太陽

光の乱反射

窓ガラス＝透明 ガラスの破片＝白色 密度に不均一があると光が散乱される．

昼間の明るさとアボガドロ数

アボガドロ数 小 密度ゆらぎ 大 アボガドロ数 大 密度ゆらぎ 小

倍数比例の法則

C と O を結合させる場合．．． ＋ CO 12 g 16 g 12 g ＋ 16×2 g CO 2 12 g ＋ 16×1.3 g CO 1.3

アインシュタイン奇跡の年 相対性理論 光量子仮説（ノーベル賞受賞） → 量子力学 ブラウン運動の理論 → 原子・分子実在の証明 全て１９０５年の仕事！

原子の存在の証拠「写真」

MoS 2

表面の 走査型 トンネル顕微鏡 写真． 白い丸は結晶上の 硫黄原子． この写真１枚で原子の存在を信じるのは非科学的！

走査型トンネル顕微鏡

プローブ 表面

走査型トンネル顕微鏡

プローブ 表面

走査型トンネル顕微鏡

プローブ 表面

共有結合

原子論の歴史のまとめ

原子論 デモクリストの原子論 反原子論 アリストテレスの四元素説 錬金術 ドルトンの原子論 アボガドロの分子論 原子論者の奮闘 エネルギー論者からの反論 ブラウン運動等による実証 量子力学による理論的説明 原子論の勝利！