二原子分子のソースを表示

{{Infobox particle
| 背景色 =
| 名前 = 二原子分子
| 画像 = [[Image:Dinitrogen-3D-vdW.png|250px]]
| 説明 = [[窒素]]分子の[[空間充填モデル]]
| 型数 =
| 分類 =
| 組成 = 2個の[[原子]]
| 統計 =
| グループ =
| 世代 = 
| 相互作用 = [[弱い相互作用]]<br/>[[強い相互作用]]<br/>[[電磁相互作用]]<br/>[[重力相互作用]]
| 粒子 =
| 反粒子 =
| ステータス =
| 理論化 = [[アメデオ・アヴォガドロ]]（1811年）
| 発見 = 
| 記号 =
| 質量 =
| 平均寿命 = 
| 崩壊粒子 =
| 電荷 = 0
| 荷電半径 =
| 電気双極子モーメント =
| 電気的分極率 =
| 磁気モーメント =
| 磁気的分極率 =
| 色荷 =
| スピン =
| スピン状態数 =
| レプトン数 =
| バリオン数 =
| ストレンジネス =
| チャーム =
| ボトムネス =
| トップネス =
| アイソスピン =
| 弱アイソスピン =
| 弱アイソスピン_3 =
| 超電荷 =
| 弱超電荷 =
| カイラリティ =
| B-L =
| X荷 =
| パリティ =
| Gパリティ =
| Cパリティ =
| Rパリティ =
}}

'''二原子分子'''（にげんしぶんし、{{lang-en-short|diatomic molecule}}）は、2個の[[原子]]で作られた[[分子]]である。[[SI接頭語|接頭語]]の"di-"は[[ギリシア語]]で2を意味する。　　

== 自然に存在する二原子分子 ==
フーバーとヘルツベルクの『二原子分子の分子スペクトルと分子構造IV』<ref>Huber, K. P. and Herzberg, G. (1979). ''Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules.'' New York: Van Nostrand: Reinhold. </ref>には、[[分光器]]によって[[星間分子]]から検出された何百もの二原子分子が記載されている。しかし、[[地球]]上で自然に生成する二原子分子の種類は少ししかない。[[地球の大気]]の約99%は二原子分子で構成され、特に[[酸素]]は21%、[[窒素]]は78%であり、残り1%のうち大部分の0.9340%は単原子気体の[[アルゴン]]が占めている。[[水素]]分子は地球の大気では[[ppm]]の[[オーダー (物理学)|オーダー]]であるが、[[恒星]]の組成においては支配的で最も豊富な分子である。

[[標準状態]]（1気圧、25℃）で二原子分子を構成する代表的な[[元素]]は、[[水素]]、[[窒素]]、[[酸素]]、[[ハロゲン]]（[[フッ素]]、[[塩素]]、[[臭素]]、[[ヨウ素]]、および[[アスタチン]]<ref group="注釈">アスタチンの最も安定な[[放射性同位体]]の[[半減期]]はたった8.3時間であり、自然界にはほとんど存在せず、通常は代表的な二原子分子として挙げられることはない。</ref>）である。気化するまで加熱された金属のように、他の多くの元素も二原子分子になることは可能である。しかし、多くの二原子分子は[[二リン]]のように高い反応性を持ち不安定である。また、わずかではあるが[[一酸化炭素]]や[[臭化水素]]といった[[化合物]]も作られる。

水素や酸素のように同一元素のみで構成される二原子分子は'''等核二原子分子'''（{{lang-en-short|homonuclear}}）、[[一酸化炭素]]や[[一酸化窒素]]のように異なった2元素で構成されるものは'''異核二原子分子'''（{{lang-en-short|heteronuclear}}）と呼ばれる。等核二原子分子の[[化学結合|結合]]は[[極性]]が無く完全な[[共有結合]]である。

== 歴史 ==
[[19世紀]]、二原子分子は、元素、原子、分子の概念の確立において重要な役割を果たした。[[ジョン・ドルトン]]による最初の[[原子説]]では、全ての元素は単原子であり、化合物には最も簡単な原子比率があると仮定された。例えば、ドルトンは酸素が水素の8倍の[[質量]]（現代では約16倍）の元素であるため水の[[分子式]]はHOであると仮定した。結果として、原子の質量と分子式の混乱は約半世紀存在した。

[[1805年]]、[[ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサック|ゲイ＝リュサック]]と[[アレクサンダー・フォン・フンボルト|フォン・フンボルト]]によって水が2個の水素と1個の酸素で形成されていることが発見され、[[1811年]]には[[アメデオ・アヴォガドロ]]によって[[アボガドロの法則]]と二原子分子の仮定をベースにして水の構造が説明された。しかし、これらの結果は1860年までほとんど受け入れられなかった。その理由は、同じ原子同士には[[化学親和力]]は全く無いと信じられ、かつ気体の解離反応におけるアボガドロの法則の例外があったためである。

[[1860年]]、[[カールスルーエ国際会議]]で[[スタニズラオ・カニッツァーロ]]はアボガドロの考えを復活させ、現代の値にほとんど一致する原子量表を作成した。これらの質量は、[[ドミトリ・メンデレーエフ]]と[[ロータル・マイヤー]]による[[周期律]]の発見の重要な前提条件となった<ref>Ihde, Aaron J. (1961). "The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective.". ''Journal of Chemical Education'' '''38''': 83-86. Retrieved on 2007-08-24. </ref>。

== エネルギー ==
普通、原子分子は2つの塊（2つの原子）が質量のない[[ばね]]で結合されたものとして表現される。分子の様々な動きの[[エネルギー]]は[[並進運動]]、[[回転運動]]、[[振動運動]]の3つに分解できる。

=== 並進運動 ===
分子の並進運動は単純に運動エネルギーから与えられる。
:<math>E_{\mathrm{trans}} =\frac{1}{2}(m_1 + m_2)v^2</math>
:''m''<sub>1</sub>, ''m''<sub>2</sub> は各原子の質量で、''v'' は分子の速度である。

=== 回転運動 ===
[[古典力学]]における回転の運動エネルギーは、
:<math>E_{\mathrm{rot}} = \frac{L^2}{2I}</math>
:''L'' は[[角運動量]]、''I'' は分子の[[慣性モーメント]]
である。しかし、原子レベルの微小な系は[[量子力学]]により記述されるため、角運動量は
:<math>L^2 = l(l + 1) \hbar^2</math>
:''l'' は正の整数、<math>\hbar</math>は[[プランク定数]]を2[[円周率|&pi;]]で割ったもの（[[ディラック定数]]）
となる。また、分子の慣性モーメントは
:<math>I = \mu r_{0}^2</math>
:''&mu;''は分子の[[換算質量]] <math>(\mu = \frac{m_1m_2}{m_1 + m_2})</math> 、''r''<sub>0</sub>は2原子の平均距離
となる。よって、二原子分子の''E''<sub>rot</sub>は次のように表される。
:<math style="border:2px solid #ccccff">E_{\mathrm{rot}} = \frac{l(l+1) \hbar^2}{2 \mu r_{0}^2} \quad l=0,1,2,\dots</math>

ただし、二つの原子核が全く同一の場合、特定の[[スピン角運動量|スピン]]状態に対して、偶数か奇数の[[回転量子数]]しかとり得ない。これは、核の運動とスピンを合わせた全[[波動関数]]が、核の交換に対して対称([[ボース粒子|核スピンが整数]])もしくは反対称([[フェルミ粒子|核スピンが半奇数]])となるためである。
{{see also|回転準位}}

=== 振動エネルギー ===
他に二原子分子の動きにはそれぞれの原子の振動と2原子の結合に沿った振動がある。これらの振動は量子力学的な[[調和振動子]]とほぼみなしてよく、振動エネルギーは
:<math style="border:2px solid #ccccff">E_{\mathrm{vib}} = \left(n+\frac{1}{2} \right)hf \quad n=0,1,2,\dots</math>
となる。
{{see also|振動準位}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
<references/>

== 関連項目 ==
* [[単原子分子]]

{{二原子分子}}

{{DEFAULTSORT:にけんしふんし}}
[[Category:原子]]
[[Category:分子]]
[[Category:分子構造]]