原子の構造 : 原子とは、原子核・電子、陽子・中性子、質量数、原子番号の関係

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はじめに、このページでは、原子の構造、特に陽子・中性子・電子といった原子を構成する粒子、そして原子核、質量数、原子番号の相互関係について、プロの講師が詳しく解説します。

原子とは何か？

私たちの身の回りにあるすべての物質は、非常に小さな粒でできています。この基本的な構成要素こそが原子です。私たち人間はもちろん、飼っているペット、今使っているパソコンやスマートフォンまで、あらゆるものがこの原子から構成されています。現在、118種類の原子が確認されており、そのうち自然界に存在するものは92種類です。それぞれの原子には固有の番号が付けられており、この番号を原子番号と呼びます。

原子核と電子

原子の内部構造を見ていきましょう。下の図は原子の全体像を示しています。原子の中心には、赤い丸で示された原子核が存在し、その周りを青い丸で示された電子が高速で運動しています。

粒子位置電荷
電子原子核の周り負
原子核原子の中心正

原子核は正の電荷を帯びており、それに対して電子は負の電荷を帯びています。この電荷の性質が、原子の安定性を保つ上で重要な役割を果たします。

陽子と中性子

次に、原子核の内部構造を詳しく見ていきましょう。最も重要なことは、「原子核は陽子と中性子から構成されている」ということです。下の図では、オレンジ色の丸が陽子、緑色の丸が中性子を示しています。

粒子位置電荷
陽子原子核の中正
中性子原子核の中なし

陽子は正の電荷を帯びており、中性子は電荷を帯びていません。したがって、「原子核（陽子＋中性子）は正の電荷を帯びている」のです。これは、前述の原子核の電荷の説明と一致します。

例：ヘリウム原子

ヘリウム（元素記号: He）の原子核は、2個の陽子と2個の中性子から構成されています。原子核の周りには、2個の電子が存在し、電気的に中性を保っています。

原子のサイズ

原子の直径は約 10−8 cm（1 cmの1億分の1）という非常に小さなものです。一方、原子核の大きさは約 10−13〜10−12 cmであり、原子の大きさの10万分の1から1万分の1程度に過ぎません。これは、1円玉（原子核）と甲子園球場（原子）の大きさの関係に例えることができます。原子のほとんどの空間は空っぽで、原子核という非常に小さな中心に質量が集中しており、その周りを電子が広範囲に動き回っているイメージです。

陽子・中性子・電子の質量

陽子、中性子、電子の質量は以下の通りです。この表からわかるように、電子は陽子や中性子と比較して非常に軽いことが特徴です。

粒子質量 (g)質量比
陽子1.673×10−241
中性子1.675×10−241
電子9.109×10−281/1840

この質量比から、原子の質量は主に原子核を構成する陽子と中性子によって決まることが理解できます。電子の質量は非常に小さいため、原子全体の質量に与える影響は無視できるほどです。

原子番号（原子の化学的性質）

原子の化学的な性質（反応性など）を決定する要素について考えてみましょう。化学では、化学結合や酸化還元反応など、電子が関与する現象に注目することが多いため、「電子の数」が重要だと考えがちですが、実はその電子の数を決めているのは「陽子の数」なのです。

例えば、ある原子の原子核に2個の陽子が存在する場合、正の電荷を持つ陽子は負の電荷を持つ電子を2個引き寄せます。このように、電気的な中性を保つために、原子中の陽子の数と電子の数は常に等しくなります。

したがって、原子の化学的な性質を決定するのは陽子の数であり、この陽子の数をその原子の番号、すなわち原子番号と呼びます。原子番号が同じ原子は、同じ元素であり、類似した化学的性質を示します。

例：炭素原子

炭素（元素記号: C）の原子番号は6です。これは、炭素原子の原子核に6個の陽子が存在し、その周りに6個の電子が存在することを意味します。炭素原子が多様な有機化合物を形成する性質は、この6個の電子の配置によって決まります。

質量数（原子の物理的性質）

一方、原子の物理的な性質（運動性など）を決定する要素は「重さ」です。前述の質量に関する表で示したように、原子を構成する3つの粒子の質量比は以下のようになっています。

陽子 : 中性子 : 電子 = 1 : 1 : 1/1840

電子の質量は陽子や中性子と比較して非常に小さいため、原子の重さはほぼ「陽子の重さ ＋ 中性子の重さ」と考えることができます。

では、ある原子に2個の陽子と2個の中性子が含まれている場合、その重さはどのくらいになるでしょうか？

（上記の表より）陽子1個の重さが 1.673×10−24 g、中性子1個の重さが 1.675×10−24 gであるため、

(1.673×10−24×2+1.675×10−24×2)g

となります。しかし、この数字は非常に小さく、イメージしにくいものです。そこで、原子の重さを、実際の質量ではなく「陽子と中性子の合計粒子数」で表すことが一般的です。この「陽子と中性子の合計粒子数」は、原子の質量の代わりとなる数値であるため、質量数と呼ばれます。

ある原子に2個の陽子と2個の中性子が含まれている場合、その質量数は、

となります。質量数は、原子の同位体を区別する際に重要な指標となります。同位体とは、陽子の数は同じでも中性子の数が異なる原子のことです。化学的性質はほぼ同じですが、物理的性質（質量など）が異なります。

例：炭素の同位体

炭素には、質量数が12（炭素12）、13（炭素13）、14（炭素14）の同位体が存在します。これらの同位体は、いずれも陽子の数は6個ですが、中性子の数がそれぞれ6個、7個、8個と異なります。炭素14は放射性同位体であり、年代測定などに利用されています。

原子に関する公式

これまでに解説した重要な関係を公式としてまとめます。

  • 公式1：原子番号 ＝ 陽子の数
  • 公式2：陽子の数 ＝ 電子の数（電気的に中性な原子の場合）
  • 公式3：陽子の数 ＋ 中性子の数 ＝ 質量数

陽子が原子の化学的な性質を決定するため、原子番号は陽子の数と等しくなります。また、通常、原子は電気的に中性であるため、正の電荷を持つ陽子の数と負の電荷を持つ電子の数は等しくなります。そして、原子の重さを表す質量数は（非常に軽い電子の質量は無視できるため）、陽子の数と中性子の数を足した値となります。

原子の表記法

原子は元素記号という1〜2文字のアルファベットで表されます。この元素記号に、質量数と原子番号を付記することで、特定の同位体を区別することができます。一般的に、質量数は元素記号の左上に、原子番号は左下に書かれます。

この表記を見ることで、その原子に含まれる陽子の数、電子の数、中性子の数を読み取ることができます。

  • 原子番号＝陽子の数なので、陽子の数は6個
  • 電気的に中性な原子では、陽子の数＝電子の数なので、電子の数も6個
  • 質量数＝陽子の数 ＋ 中性子の数なので、中性子の数は 12 – 6 = 6個

中間子と核力

ヘリウム（原子番号2）以降の原子は、原子核内に複数の陽子を持ちます。陽子は正の電荷を持つため、原子核内に陽子だけが存在する場合、プラス同士の電気的な反発力が生じます。この反発力を打ち消し、原子核を安定に保つために、中性子が存在しています。

陽子と中性子は、中間子と呼ばれる素粒子を高速で交換しながら強く結びついています。具体的には、陽子が中間子を放出し、中性子がこれを受け取ると、陽子は中性子に、中性子は陽子に変化します。この交換が繰り返されることで、中間子によって陽子の正電荷が絶えず運び続けられます。その結果、陽子と中性子の間には、陽子同士の反発力を無力化するほどの強い相互作用（核力）が働き、原子核は安定して存在できるのです。

原子は、私たちの身の回りのあらゆる物質を構成する基本的な粒子であり、中心にある原子核と、その周りを運動する電子から成り立っています。原子核は、正の電荷を持つ陽子と電荷を持たない中性子から構成されており、陽子の数はその原子の化学的性質を決定する原子番号と一致します。一方、質量数は陽子と中性子の合計数であり、原子の物理的性質、特に質量に大きく影響します。原子核内の陽子間に働く電気的な反発力は、中性子と中間子による核力によって打ち消され、原子核の安定性が保たれています。原子の構造、そして原子核・電子、陽子・中性子、質量数、原子番号の関係性を理解することは、化学を学ぶ上で非常に重要な基礎となります。