原子とその構造

1.原子

原子は、以下の特徴を有する粒子である(大きさや質量は種類によって異なる)。

  • 直径10-10 m程度
  • 質量10-24~10-22 g
  • 電気的に中性

原子は非常に小さな粒子であり、原子とピンポン球の比は、ピンポン球と地球の比とほぼ同じである。つまり、ピンポン球は地球よりはるかに小さいが、原子もそれと同じくらいピンポン球より小さい。

2.原子の構造

原子は、原子核(陽子と中性子)と、そのまわりを飛び回っている電子から構成されている。

質量[g] 電荷[C]
陽子 1.673×10-24 +1.602×10-19
中性子 1.675×10-24 0
電子 9.109×10-28 -1.602×10-19

 

 

原子核

原子核は、正の電荷を持った陽子と電荷を持たない中性子からなる。原子核は陽子を有するので、正の電気を帯びている。

原子核は極めて小さく、その直径は10-15~10-14 mである。

※原子の直径はおおむね10-10 m、原子核の直径は10-15~10-14 mであるので、原子と原子核の大きさは10万倍程度の差がある。つまり、原子核を直径1 cmの円で描いたとすると、電子が飛び回る空間の直径は1 kmとなる。このように、原子を構成する原子核は極めて小さい。

陽子

陽子は、1.602×10-19 C(クーロン)の正の電荷を持つ粒子である。なお、1.602×10-19 Cは電気量の最小単位で電気素量という。

中性子

中性子は、電荷を持たない粒子である。陽子と中性子の質量はほぼ等しい。

電子

電子は、1.602×10-19 C(クーロン)の負の電荷を持つ粒子である。電子の質量は陽子や中性子の質量の約1/1840と非常に小さい。そのため原子の質量は、原子核の質量とほぼ等しくなる。

 

陽子は正の電荷を持ち、電子は負の電荷を持つが、1個の原子には同数の陽子と電子が含まれているので、互いに正負の電気を打ち消しあい、原子全体では電気的に中性となる。

3.原子番号

原子に含まれる陽子の数を原子番号という。陽子の数は元素によって異なるので、原子番号も元素によって異なる。

原子に含まれる陽子の数と電子の数は等しいので、原子番号の数が、陽子及び電子の数になる。

4.質量数

原子核中の陽子と中性子の数の和を、その原子の質量数という。原子の質量は、陽子、中性子、電子の総質量になるが、電子は陽子・中性子の質量の約1/1840と非常に小さく0とみなせる。よって、原子の質量は質量数にほぼ比例する。

原子を、原子番号や質量数も含めて示す場合は、元素記号の左上に質量数。左下に原子番号を書き添える。

5.同位体

同位体 11H 21H 31H
陽子の数 1 1 1
中性子の数 0 1 2
電子の数 1 1 1

同じ元素の原子でも、原子核中の中性子の数が異なるものがある。このような原子を互いに同位体(アイソトープ)という。

例えば、水素には11Hと21Hと31Hの3つの同位体があるが、右の図のように中性子の数が異なる。なお、同じ元素の同位体は、ほぼ同じ化学的性質を示す。

 

 

元素名 同位体 存在比(%)
炭素 126C 98.93
136C 1.07
酸素 186O 99.757
178O 0.038
188O 0.205

なお、同位体にはそれぞれ存在比があり、例えば、炭素には126Cと136Cの同位体があるが、それぞれその存在比は、98.93%、1.07%である。

一般に、天然に存在する同位体の存在比は、その元素を含む物質の種類や存在場所に関係なく、ほぼ一定である。