アボガドロ定数

アボガドロ定数：物質量の根幹をなす物理定数

アボガドロ[定数]]とは、物質量1モルを構成する粒子（原子、分子、イオンなど）の数を表す基本的な物理定数です。単位はmol⁻¹で、その値は正確に6.02214076×10²³ mol⁻¹と定義されています。この定数は、国際単位系]における[[モルの定義に不可欠な要素であり、化学や物理学における様々な計算に利用されています。記号としては、NAまたはLが用いられます。

アボガドロ定数とアボガドロ数

アボガドロ定数の数値部分（単位を除いた部分）をアボガドロ数と呼びます。アボガドロ数は無次元量で、アボガドロ定数と区別されます。アボガドロ数は正確に6.02214076×10²³であり、24桁の整数です。

アボガドロ定数の歴史

アボガドロ定数の名称は、イタリアの化学者アメデオ・アヴォガドロに由来します。アヴォガドロは1811年、同一の温度と圧力下では、気体の体積は含まれる粒子数に比例するというアボガドロの法則を発見しました。その後、1909年にフランスの物理学者ジャン・ペランが、この定数をアヴォガドロにちなんで命名することを提案しました。ペランはアボガドロ定数の測定に貢献し、1926年にはノーベル物理学賞を受賞しています。

アボガドロ定数の最初の測定は、1865年にドイツの物理学者ヨハン・ロシュミットによって行われました。彼は気体中の粒子の数密度を推定し、この値は現在ロシュミット数と呼ばれ、アボガドロ定数と密接に関連しています。ロシュミット数は、アボガドロ定数の記号Lの由来にもなっています。ドイツ語圏では、アボガドロ定数を「ロシュミット数」と呼ぶこともあります。

アボガドロ定数を正確に決定するには、原子レベルと巨視的レベルの両方の測定が必要でした。このことが可能になったのは、1910年にアメリカの物理学者ロバート・ミリカンが電子の電荷を測定した時です。ファラデー定数（1モルの電子の電荷）と電気素量（1個の電子の電荷）の比からアボガドロ定数が算出できます。ミリカンによる電気素量の精密な測定により、アボガドロ定数の精度も向上しました。

1969年のIUPAC総会では、「アボガドロ数」から「アボガドロ定数」へと名称が変更されました。1971年にモルがSI基本単位として導入されると、アボガドロ定数は単なる数ではなく、mol⁻¹という単位を持つ定数となりました。

2019年のSI単位系再定義

2019年5月、モルの定義が変更されました。従来の定義では、モルの定義はキログラムに依存していましたが、新しい定義では、アボガドロ定数を固定することでモルを定義するようになりました。

旧定義では、1モルの物質量は、炭素12の0.012kgに含まれる原子の数と等しいと定義されていましたが、新しい定義では、キログラムとの関連性がなくなり、アボガドロ定数が正確に6.02214076×10²³ mol⁻¹と定義されるようになりました。この変更により、アボガドロ定数は定義値となり、不確かさがなくなりました。一方、炭素12のモル質量は実験値となりました。

アボガドロ定数の測定方法

アボガドロ定数の測定方法は、歴史的に様々な方法が用いられてきました。初期には、気体中の分子数の測定やブラウン運動を用いた方法がありましたが、近年ではより精密な方法が用いられています。

ファラデー定数と電気素量の比
プロトンの核磁気回転
X線回折と結晶の密度
X線と光干渉計を組み合わせた実験

中でも、X線と光干渉計を組み合わせた方法が最も精度が高く、単結晶シリコンを用いてアボガドロ定数が測定されてきました。シリコン結晶の格子定数と密度を精密に測定することで、アボガドロ定数を非常に高い精度で求めることができます。

アボガドロ定数の応用例

アボガドロ定数は、化学反応における物質量の計算や、物質の性質を原子や分子のレベルで理解する上で不可欠な定数です。また、ナノテクノロジーや材料科学など、様々な分野で応用されています。

まとめ

アボガドロ定数は、化学や物理学の基礎となる重要な物理定数です。その歴史、測定方法、そしてSI単位系の再定義による影響を理解することは、科学を学ぶ上で重要です。アボガドロ定数の正確な値とその定義は、物質量に関する理解を深める上で重要な役割を果たしています。

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