元素

I

プロローグ

物質を構成する基本的な成分のこと。万物の根源的原理は何かということは古代から重要問題で、古代ギリシャのアリストテレスやエンペドクレスといった哲学者たちは、自然が土(地)・水・火・空気(風)といった4つの要素から構成されると考え、その基本要素を万物の根源(アルケー、arkhē)すなわち元素とよんだ。中国の陰陽五行説でも似たような考え方をしていて、万物を構成する要素を、木・火・土・金・水の5つの元素であると考えていた。中世ヨーロッパの錬金術師たちは基本的にはこの4元素説を信じ、そのもとで金属を変換させようとこころみたのである。→化学の「ギリシャの自然哲学」

17世紀のイギリスの化学者ロバート・ボイルは、実験によって錬金術の考え方を批判し、通常の化学的手段ではそれ以上小さな物に分割できない究極の物が元素であると定義した。この定義は長い間、化学の常識とされてきた。しかし1940年代後半、原子核が核分裂することが実験によって明らかになり、多くの同位元素(同位体)が知られ、その合成や変換もできるようになった。ボイル以来の元素の定義はくつがえされ、中世の錬金術師たちの夢は原子核の変換という形で実現したのである。

II

元素と原子

今日では同一の原子番号をもつ原子の種類を集合的に元素とよび、元素は電子や中性子、陽子などさまざまな素粒子からなりたっていることがわかっている。

今では111番までの元素には正式な名前がつけられているが、超ウラン元素とよばれる放射性元素は自然界には存在せず、サイクロトロンなどの加速器や原子炉などをもちいて人工的につくられたものである(→放射能の「人工放射性元素」)。新しい元素があいついでつくられており、今後も続々と誕生するものと予想されている。→ 超アクチノイド元素

III

元素の性質

元素は金属と非金属とに分類される。金属の原子はプラスの電荷をもち、マイナスの電荷をもつ非金属の原子と結合しやすい。金属と非金属の中間の性質をもつ一群の元素は、メタロイド(半金属元素)とよばれる。元素を原子番号の順にならべると、物理的・化学的性質の似ている元素が一定の周期であらわれる(→ 周期律)。また、たがいに性質の似ている元素は族に分類され、たとえばアルカリ土類金属、希土類元素、ハロゲン、希ガスなどがある。

元素の原子量の基準は、質量数12の炭素原子の質量の12分の1とされている。同じ原子番号をもつ原子の間で質量数がことなる場合、それらはたがいに同位体であるという。天然に存在する元素では、多数の同位体をもつものもあるが、1つしかもたないものもある。また、同位体の中には放射能を放出する放射性同位体も存在する。

現在では、人工同位体が数多く合成されている。しかしながら、実験室で合成された超ウラン重元素は放射性であり、きわめて短命である(→ 半減期)。一方、原子番号が164以上の安定な超重元素が多数存在しうると考える物理学者もいるが、今のところは立証されていない。