原子は物質の基本的な単位であり、要素の定義構造です。 「原子」という用語は、ギリシャ語で不可分という言葉に由来します。これは、原子は宇宙で最も小さいものであり、分割できないと考えられていたためです。原子は、陽子、中性子、電子の3つの粒子で構成されていることがわかりました。これらは、クォークなどのさらに小さな粒子で構成されています。
原子は137億年前のビッグバンの後に作成されました。高温で密度の高い新しい宇宙が冷えるにつれて、クォークと電子が形成されるのに適した状態になった。クォークは集まって陽子と中性子を形成し、これらの粒子は核に結合しました。 CERNによれば、これはすべて、宇宙が存在してから最初の数分以内に起こりました。
宇宙が電子を減速して核がそれらを捕獲して最初の原子を形成するのに十分なほど冷えるには、38万年かかりました。ジェファーソン研究所によると、最も初期の原子は主に水素とヘリウムであり、これらはまだ宇宙で最も豊富な元素です。重力により、最終的にガスの雲が合体して星を形成し、より重い原子が星の中で作成され（そして今でも）星が爆発したときに宇宙全体に送られました（超新星）。
原子粒子
陽子と中性子は電子よりも重く、原子の中心にある原子核に存在します。電子は非常に軽量で、核を周回する雲の中に存在します。ロスアラモス国立研究所によると、電子雲の半径は原子核の10,000倍です。
陽子と中性子はほぼ同じ質量です。ただし、1つの陽子は電子の約1,835倍の質量があります。原子は常に同じ数の陽子と電子を持ち、陽子と中性子の数も通常同じです。原子に陽子を追加すると新しい要素が作成され、中性子を追加するとその原子の同位体、つまりより重いバージョンが作成されます。
核
核は1911年にニュージーランドの物理学者アーネストラザフォードによって発見されました。 1920年、ラザフォードは原子の正に帯電した粒子に陽子という名前を提案しました。彼はまた、核内に中性粒子があったと理論化し、イギリスの物理学者であり、ラザフォードの学生であるジェームズチャドウィックは、1932年にこれを確認することができました。
Chemistry LibreTextsによれば、原子のほぼすべての質量はその原子核に存在しています。核を構成する陽子と中性子はほぼ同じ質量であり（陽子はわずかに少ない）、同じ角運動量またはスピンを持っています。
核は、自然界の4つの基本的な力の1つである強い力によって結び付けられています。電気の規則によれば、陽子と中性子の間のこの力は、そうでなければ陽子を押し離そうとする反発的な電気力を克服します。一部の原子核は、原子核のサイズに基づいて原子ごとに結合力が異なるため、不安定です。これらの原子は、炭素-14が窒素-14に崩壊するなど、他の元素に崩壊します。
プロトン
陽子は、原子核内にある正に帯電した粒子です。ラザフォードは、1911年から1919年の間に行われた陰極線管の実験でそれらを発見しました。陽子は、中性子と比べて約99.86％重いです。
原子内のプロトンの数は、各要素に固有です。たとえば、炭素原子には6つのプロトンがあり、水素原子には1つ、酸素原子には8つあります。原子内の陽子の数は、その元素の原子番号と呼ばれます。陽子の数も元素の化学的挙動を決定します。元素は、原子番号の昇順で元素の周期表に配置されます。
3つのクォークが各陽子を構成します-2つの「アップ」クォーク（それぞれ3分の2の正電荷）と1つの「ダウン」クォーク（3分の1の負電荷）-そして、それらはグルーオンと呼ばれる他のサブ原子粒子によって結合されます。質量がないです。
電子
電子は陽子や中性子に比べて小さく、陽子や中性子の1800分の1です。ジェファーソン研究所によると、電子は中性子の約0.054％の質量です。
Science History Instituteによると、イギリスの物理学者であるジョセフジョン（J.J.）トムソンは1897年に電子を発見しました。もともと「小体」として知られていた電子は、負に帯電し、正に帯電した陽子に電気的に引き付けられます。電子は軌道と呼ばれる経路で原子核を取り囲んでいます。これは、1920年代にオーストリアの物理学者であるErwinSchrödingerによって提唱されたアイデアです。今日、このモデルは量子モデルまたは電子雲モデルとして知られています。原子を囲む内部軌道は球形ですが、外部軌道ははるかに複雑です。
原子の電子配置は、典型的な原子における電子の位置を指します。ロスアラモス国立研究所によると、化学者は電子構成と物理学の原理を使用して、安定性、沸点、導電率などの原子の特性を予測できます。
中性子
アメリカ物理学会によると、中性子の存在は1920年にラザフォードによって理論化され、1932年にチャドウィックによって発見されました。中性子は、実験中に原子が薄いベリリウムのシートに発射されたときに発見されました。電荷のない素粒子が放出された-中性子。
中性子は、すべての原子核（水素を除く）内にある非荷電粒子です。中性子の質量は陽子の質量よりわずかに大きいです。陽子と同様に、中性子もクォークで構成されています-1つの「アップ」クォーク（正の2/3電荷を持つ）と2つの「ダウン」クォーク（それぞれ負の3分の1電荷を持つ）。
アトムの歴史
原子の理論は、少なくとも紀元前440年までさかのぼります。ギリシャの科学者で哲学者であるデモクリトスに。 「アトモスからアトムへ：コンセプトアトムの歴史」の著者であるアンドリューG.ヴァンメルセン（Duquesne University Press、1952年）の著者によると、デモクリトスは過去の哲学者の研究に基づいて原子の理論を構築したと考えられます。
Democritusによる原子の説明は石から始まります。半分にカットされた石は、同じ石の2つの半分になります。石を連続して切断する場合、ある時点で、もはや切断できないほど小さい石片が存在することになります。 「原子」という用語は、不可分というギリシャ語の単語に由来します。デモクリトスは、存在（あらゆる形態の物質）をこれ以上分割できないポイントであると結論付けました。
彼の説明には、原子が互いに独立して存在する、原子が無限に存在する、原子が移動できる、結合して物質を作成できるが、結合して新しい原子になることはない、そしてそれらは宇宙今日によると、分割することはできません。しかし、当時のほとんどの哲学者、特に影響力の大きいアリストテレスは、すべての物質が地球、空気、火、水から作成されたと信じていたため、デモクリトスの原子論は脇に置かれました。
パデュー大学の化学部門によると、イギリスの化学者であるジョンダルトンは、1803年にデモクリタスのアイデアに基づいて自分の原子理論を発表しました。ダルトンの理論には、Democritusからのいくつかのアイデアが含まれています。ダルトンの理論への追加には、次のアイデアが含まれています。特定の要素のすべての原子は同一であり、1つの要素の原子は別の要素の原子とは異なる重みと特性を持ち、原子は作成または破壊できず、物質は単純な整数で結合する原子。
化学遺産財団によると、1897年に電子を発見したイギリスの物理学者トムソンは、原子を分割できることを証明しました。彼はブラウン管の放電の特性を研究することによって電子の存在を決定することができました。トムソンの1897年の論文によると、光線は管内で偏向され、真空管内に負に帯電したものが存在することが証明されました。 1899年に、トムソンは彼のバージョンの原子の説明を公開しました。これは一般に「プラムプディングモデル」として知られています。この論文の抜粋はChem Teamサイトにあります。トムソンの原子のモデルには、正の電荷を生成して原子に全体的な中性電荷を与える何かの中に浮遊している多数の電子が含まれていました。彼のモデルは、レーズンが丸いケーキのようなボールにぶら下がっている人気のイギリスのデザート、プラムプディングに似ていました。
パーデュー大学の化学部門によると、原子モデルをさらに修正して進める次の科学者はトムソンの下で研究したラザフォードでした。 1911年、ラザフォードは彼のバージョンの原子を公開しました。これには、電子が軌道を回る正に帯電した原子核が含まれていました。このモデルは、ラザフォードと彼のアシスタントが金の薄板にアルファ粒子を発射したときに発生しました。ジェファーソン研究所によれば、アルファ粒子は2つの陽子と2つの中性子で構成されており、核を結合する同じ強い核力によってすべて一緒に保持されています。
科学者たちは、アルファ粒子のごく一部が元の動きの方向に対して非常に大きな角度で散乱しているのに対し、大部分はほとんど妨害されずに通過したことに気づきました。ラザフォードは金原子の核のサイズを概算することができ、原子全体のサイズより少なくとも10,000倍小さいことがわかりました。ラザフォードの原子モデルは、今日でも使用されている基本モデルです。
他のいくつかの科学者は、原子モデルをさらに進めました。ニールスボーア（水素スペクトルに基づく電子の特性を含めるためにラザフォードのモデルに基づいて構築された）、アーウィンシュレーディンガー（原子の量子モデルを開発しました）、ヴェルナーハイゼンバーグ（両方を知ることはできないと述べた）電子の位置と速度を同時に）、およびマレーゲルマンとジョージツヴァイク（陽子と中性子はクォークで構成されているという理論を独自に開発しました）。
