電荷の特性と原子構造

本講義では、電気的現象の基本的な原因としての電荷の概念と起源を再検討する。まず、古代ギリシア人が琥珀を羊毛で擦った際に電気的性質を観察し、電気的な引力と斥力をモデル化するための符号の法則へと至った歴史的分析から始める。次に、ミクロレベルでは、素粒子と、電荷が物質の構造に内在することについて検討し、特に原子の構成とそれが物質の電気的特性をどのように決定するかに焦点を当てる。最後に、原子は中性であり得るとしても、原子間および分子間の相互作用や電子の移動によって電気的現象に関与し続けることを強調する。

学習目標:
この授業を終えると、学生は次のことができるようになる:

列挙する 素粒子とそれぞれの電荷および質量。
説明する なぜ特定の材料を擦ると電荷が帯びるのか。
記述する ギリシア人が観察した現象（帯電した琥珀）と現代の電気概念の関係。
区別する 中性原子、カチオンおよびアニオンの違い。

内容目次
電荷とは何か？
古代の電気現象
 符号の法則
 電荷と物質の構造
物質の電気的特性

電荷とは何か？

電気的な現象を理解するためには、その根底にある原因に取り組むことが不可欠である。質量が重力の原因であるように、電荷は電気的現象の原因である。

電磁気学の学習を始めるにあたって、電荷とは何かを正確に定義することは困難である。この理解には、当初扱うよりも高度な解析が必要である。しかしながら、その挙動や特性を研究することで、電気に親しむことができる。

古代の電気現象

古代には、ギリシア人が琥珀を羊毛で擦ると特定の物体を引き寄せることに気づいた。この効果は、琥珀が「帯電した」または「電荷を帯びた」と表現される。実際、「電気」という言葉は、ギリシア語の「ήλεκτρον（エーレクトロン）」、すなわち「琥珀」に由来する。いずれにせよ、古くから「帯電した」物体は次のような特性と挙動を示すことが観察された：

もし初めは中性（無電荷）の材料AとBを互いに擦り合わせると、電荷を帯びることがある。その際AとBが帯びる電荷の大きさは等しい。
上記のように帯電した後、AとBを接触させると、電荷は相互に消滅する。

以上のことから、物体は等しいが相補的な電荷を帯びるとされる。このため、そのような電荷を「正」と「負」と呼ぶ。また、帯電した物体の挙動は符号の法則によってモデル化できる：

符号の法則

帯電した物体は次のような挙動を示す：

正 × 正 = 正 → 反発
正 × 負 = 負 → 引力
負 × 正 = 負 → 引力
負 × 負 = 正 → 反発

符号が反対の電荷は引き合い、同じ符号の電荷は反発し合う。

電荷と物質の構造

電荷は質量と同様に、物質を構成する粒子の基本的な性質である。電荷の単位は クーロン で、 $C$ の文字で表される。原子は以下の表に示すような特定の電荷と質量を持つ素粒子から構成される。

粒子	質量 $[kg]$	電荷 $[C]$
陽子	$1.6726219 \times 10^{-27}$	$+1.602176634 \times 10^{-19}$
中性子	$1.6759271 \times 10^{-27}$	0（中性）
電子	$9.10938356 \times 10^{-31}$	$-1.602176634 \times 10^{-19}$

通常、記号 $p^+$ 、 $e^-$ および $n_0$ はそれぞれ陽子、電子、中性子を表す。陽子と中性子は原子の核に存在し、電子はその周りを軌道運動する。原子の質量の99.9%以上は核に集中している。

核内の陽子の数はその原子が属する元素を定義する。中性子の数はその元素の同位体を定義し、電子の数はその電離状態を示す。伝統的に原子は中性であると考えられ、電子が過剰または不足している場合にはイオンと呼ばれる。イオンは負（アニオン）または正（カチオン）であり得る。

物質の電気的特性

物質の電気的特性は、その内部構造および原子や分子が互いにどのように相互作用するかに依存する。中性の原子は電荷を持たないように見えるかもしれないが、それが電気現象に関与できないことを意味するわけではない。電荷の性質は、原子や分子間の相互作用および電子を移動または共有して結合を形成する能力に依存していることを忘れてはならない。