カテゴリー 化学 公開日 2014年3月13日
いいえ、同じ化学元素の2つの原子は、一般的に同一ではありません。 まず第一に、原子の電子が占めることのできる状態には幅があります。 同じ元素の2つの原子でも、その電子の状態が異なれば、異なるものになります。 ある銅原子の電子が励起状態にあり、別の銅原子の電子がすべて基底状態にあれば、その2つの原子は異なります。 励起状態の銅原子は、電子が緩和して基底状態に戻ったときに少しだけ光を発しますが、すでに基底状態にある銅原子は光を発しません。 原子内の電子の状態は、その原子が経験する化学結合の性質を決定するものであるため、同じ元素の2つの原子でも、その状態が異なれば反応も異なります。 例えば、中性のナトリウム原子（金属ナトリウムの塊）は、イオン化したナトリウム原子（塩の塊）よりも水と激しく反応します。 化学者はこのことをよく知っています。 反応を完全に記述して予測しようとすると、どの原子が関与しているかだけでは不十分です。 原子の中の電子のイオン化状態や励起状態も特定しなければなりません。
しかし、同じ元素の2つの原子の電子の状態が同じだったらどうでしょう。 その場合、2つの原子は同じものでしょうか？ いいえ、やはり同一ではありません。 同じ元素の、同じ電子状態の2つの原子は、異なる速度で移動または回転している可能性があり、それが化学結合の能力に影響を与えます。 移動速度の遅い原子（固体の鉄の原子など）は安定した結合を形成する時間がありますが、移動速度の速い原子（液体の鉄の原子など）は安定した結合を形成できません。
しかし、同じ元素の2つの原子の電子の状態が同じで、原子が同じ速さで回転しているとしたらどうでしょう。 では、2つの原子は同じでしょうか？ このような2つの原子は、基本的には化学的に同じ（化学反応が同じ）ですが、完全に同じというわけではありません。 原子は電子だけではありません。 原子核があるのです。 原子核には、中性子と陽子がしっかりと結合しています。 同じ化学元素でも、中性子の数が違えば、同じ元素になります。 中性子の数が異なる同じ元素の原子を「同位体」と呼んでいる。 同位体の違いは、原子の化学反応には影響しませんが、核反応での振る舞いには影響します。 地球上で最も一般的な核反応は放射性崩壊である。 ある同位体は非常に早く他の元素に崩壊して放射線を放出しますが、他の同位体はそうではありません。 炭素年代測定を行う場合、炭素12原子が炭素14原子と同一ではないという事実は、年代測定を行う上で不可欠である。 試料中の炭素原子の数を数えるだけでは、試料の年代に関する情報は得られません。
しかし、もし2つの原子が同じ元素で、同じ状態の電子を持ち、同じ速度で回転し、同じ数の中性子を持っているとしたら、それらは同一なのでしょうか？ 電子と同じように、原子核の中の中性子や陽子もさまざまな励起状態にあります。 また、原子核全体がさまざまな速度で回転したり、振動したりしています。
端的に言えば、同じ元素の2つの原子を全く同じにすることは非常に難しいということです。 実際、ある原子群を極めて同一に近づけることに成功したことは、ノーベル賞に値するものでした。 だからといって、ここまで述べてきたこと以上に原子に個性があるとは思わないでほしい。
トピックス：原子、アトム、炭素、化学、電子、電子状態、元素、同位体、原子核