ドルトンの原子論

物はそれ以上分けられない小さな粒でできている、という考えは古代ギリシャのデモクリトスにさかのぼり、ローマの詩人ルクレティウスも長い詩でそれを歌った。だが粒は目に見えず、誰もその大きさも重さも量れなかった。原子は、信じるか信じないかの哲学の話にとどまっていた。17世紀のボイルの法則で知られるボイルやニュートンも粒の考えを好んだが、それで化学の実験の数字を説明することはできなかった。

18世紀の終わりに、化学は量る学問になった。アントワーヌ・ラヴォアジエは反応の前と後で重さが変わらないことを示し、それ以上分けられない物質を「元素」として並べた（ラヴォワジエ『化学原論』）。フランスのプルーストは、同じ化合物なら、どこで取れたものでも成分の重さの割合が一定であると主張した。なぜ割合が決まっているのか。答えはまだ無かった。

ジョン・ドルトンは1766年、イングランド北西部の湖水地方に近い村で、貧しい機織りの家に生まれた。クエーカー教徒の家で、国教会の大学には入れない。12歳で村の学校の先生になり、独学で数学と自然学を学んだ。1793年からマンチェスターの学校で教え、町の文芸哲学協会を拠り所に研究を続けた。毎日欠かさず気温や気圧、雨量を記録し、その観測は死ぬ前日まで50年以上続いたという。自分が赤と緑を見分けにくいことに気づいて、色覚の異常を初めて詳しく論文にしたのも彼である。英語ではいまも色覚異常を「ドルトニズム」と呼ぶことがある。

ドルトンを原子に導いたのは、気象への関心だった。空気は窒素や酸素、水蒸気が混ざったものなのに、なぜ重いものが下に沈んで層に分かれないのか。混ざった気体の圧力は、それぞれの気体が単独で示す圧力の和になる（分圧の法則）。気体の粒がそれぞれ独立にふるまうと考えると、これがうまく説明できた。粒の種類によって大きさや重さが違うなら、水に溶ける量の違いも説明できるかもしれない。こうして彼は、元素ごとに決まった重さを持つ原子を考えるようになった。

1803年、ドルトンは協会の会合で、いくつかの元素の原子の相対的な重さの表を発表した。最も軽い水素を1として、ほかの原子がその何倍かを示すものである。1808年に出た『化学哲学の新体系』の第1巻で、彼はこの考えをまとめた。同じ元素の原子はすべて同じ重さを持ち、化合物は異なる原子が簡単な整数の比で結びついてできる。だから成分の割合は一定になる。さらに、二つの元素が何通りかの化合物を作るとき、一方の重さを決めると、もう一方の重さは簡単な整数の比になる（倍数比例の法則）。原子という見えない粒が、量れる数字の理由になった。彼は原子を丸い記号で描き、それを組み合わせて化合物を表した。

ただし、ドルトンの表には誤りも多かった。何個の原子が結びつくかを知る手立てがなかったので、彼は「最も簡単な組み合わせ」を仮定した。水は水素の原子1個と酸素の原子1個でできていると考え、酸素の重さを水素の7倍ほどとした。1811年、イタリアのアヴォガドロは、同じ体積の気体には同じ数の粒が含まれると考え、水素や酸素の気体は原子が二つ組になったものだとすれば矛盾が消えると示した。だがドルトンはこれを受け入れず、この考えが認められたのは半世紀後、1860年にドイツのカールスルーエで開かれた化学者の国際会議の後だった。スウェーデンのベルセリウスが広めたアルファベットの元素記号も、ドルトンは嫌った。

ドルトンは生涯結婚せず、質素に暮らし、晩年まで子どもたちに教え続けた。1844年に77歳で死ぬと、マンチェスターでは何万人もが棺の前を通って別れを告げたという。彼の死後、本人の遺言で目が調べられた。1990年代にはその保存されていた目の遺伝子が調べられ、緑を感じる色素を欠いていたことが確かめられている。

原子の重さが正しく決まると、元素を重さの順に並べたときの性質のくり返しが見えてきた。それが周期表である。原子はその後、それ以上分けられないものではないことが分かったが（ボーアの原子模型）、化学で原子の重さを量り、数を数えるという作法はドルトンから始まった。いまも原子や分子の質量の単位には「ダルトン」という名が使われている。