Biophysics · 04.13

周期表の物理学的基礎

Physical foundations of the periodic table

🧠 周期表periodic table周期表（periodic table）periodic table（周期表）の周期性は、量子化quantization量子化（quantization）quantization（量子化）された電子殻・副殻subshell副殻（subshell）subshell（副殻）とパウリ排他原理Pauli exclusion principle排他原理（Pauli exclusion principle）Pauli exclusion principle（排他原理）に従う電子配置electron configuration電子配置（electron configuration）electron configuration（電子配置）から生じる。

電子配置から周期性を読む

核電荷nuclear charge核電荷（nuclear charge）nuclear charge（核電荷）が増えると軌道orbital軌道（orbital）orbital（軌道）が順に充填され、価電子valence electrons価電子（valence electrons）valence electrons（価電子）が似る元素element元素（element）element（元素）は類似の化学的性質を示す。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='atomic number'>原子番号</span>増加"]
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='orbital'>軌道</span>へ電子を配置"]
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='valence electrons'>価電子</span>配置が周期的に反復"]
  A --> B
  B --> C

殻・亜殻の収容数

N_{\text{亜殻}}=2(2l+1),\qquad N_{\text{殻}}=2n^2

実際の充填順はエネルギーとフントの規則Hund's ruleフントの規則（Hund's rule）Hund's rule（フントの規則）も考慮する。

価電子と化学的性質

量子数quantum numbers量子数（quantum numbers）quantum numbers（量子数）から電子配置electron configuration電子配置（electron configuration）electron configuration（電子配置）を組み立てると、価電子valence electrons価電子（valence electrons）valence electrons（価電子）が化学的性質を決める理由が分かる。電子の短い物質波を結像へ使う例が電子顕微鏡electron microscopy, EM電子顕微鏡（electron microscopy, EM）electron microscopy, EM（電子顕微鏡）である。

希ガスnoble gas希ガス（noble gas）noble gas（希ガス）は閉殻で安定。
アルカリ金属alkali metalアルカリ金属（alkali metal）alkali metal（アルカリ金属）は価電子valence electrons価電子（valence electrons）valence electrons（価電子）を1個失いやすい。
遷移元素transition element遷移元素（transition element）transition element（遷移元素）ではd亜殻が関与する。

医学・測定への応用

生体元素element元素（element）element（元素）の化学結合chemical bonding化学結合（chemical bonding）chemical bonding（化学結合）、イオン形成、分光学的性質spectroscopic property分光学的性質（spectroscopic property）spectroscopic property（分光学的性質）の理解に直結する。

まとめ

周期表periodic table周期表（periodic table）periodic table（周期表）の周期性は、量子化quantization量子化（quantization）quantization（量子化）された電子殻・副殻subshell副殻（subshell）subshell（副殻）とパウリ排他原理Pauli exclusion principle排他原理（Pauli exclusion principle）Pauli exclusion principle（排他原理）に従う電子配置electron configuration電子配置（electron configuration）electron configuration（電子配置）から生じる。
希ガスnoble gas希ガス（noble gas）noble gas（希ガス）は閉殻で安定。
生体元素element元素（element）element（元素）の化学結合chemical bonding化学結合（chemical bonding）chemical bonding（化学結合）、イオン形成、分光学的性質spectroscopic property分光学的性質（spectroscopic property）spectroscopic property（分光学的性質）の理解に直結する。