原子とその構造

１　原子とその構造　

【原子の構造】

原子の大きさと構造

　原子は原子からなる物質の最小の単位となる粒子である（分子からなる物質やイオンからなる物質では，それぞれ分子，イオンが最小の単位となる）。例えば，銅Cu原子は，銅として最も小さな単位であり，銅原子をさらに分解すると，銅ではなくなってしまう。

　原子は直径がおおよそ〔　10^－10m　〕の非常に小さな粒子である。原子は1つの〔　原子核　〕が中心に存在し，その周りにいくつかの〔　電子　〕が存在する構造となっている。原子核はさらに〔　陽子　〕と〔　中性子　〕からできている。

原子番号と質量数

　水素原子や銅原子といった原子の種類（元素）は，〔　陽子　〕の数によって決まる。この陽子の数をその元素の〔　原子番号　〕という。また原子の質量を考えた場合，陽子1個と中性子1個の質量はほぼ等しく，電子1個の質量は陽子や中性子の約〔　1/1840　〕しかないので，原子の質量はほぼ原子核の質量（陽子と中性子の質量の和）と等しくなる。そこで，陽子数と中性子数の和をその原子の〔　質量数　〕という。中性子の数は，元素によって決まってはいない。質量数や原子番号は，左下の図のように元素記号の左側の上下につけて示す。

粒子の電荷

陽子は〔　正　〕に電子は〔　負　〕の電気を帯びている。陽子1個と電子1個の電荷（電気の量）の絶対値は等しく，陽子が＋1なら電子は－1となる。そのため，陽子1個と電子1個で互いの電荷を打消し合う（±0になる）。原子には陽子の数と同じだけの電子が存在するので原子全体では電気的に〔　中性　〕となる。モデル図を右上に示す。この原子は陽子が2個だから〔　He　〕である。

例題　次の原子を構成する陽子の数，電子の数，中性子の数をそれぞれ答えよ。

(1)　陽子12　電子12　中性子12　　(2)　陽子14　電子14　中性子14

(3)　陽子18　電子18　中性子22　　(4)　陽子19　電子19　中性子20

(5)　陽子79　電子79　中性子118　　

【同位体】

原子には原子番号（陽子の数）が同じでも，中性子数が異なるため質量数が異なるものが存在する。原子番号が同じなので，同じ元素ではあるが，質量が異なる原子が存在することになる。このような同じ元素の原子で質量数が異なる原子を互いに〔　同位体　〕またはアイソトープという。同位体どうしは，化学的性質はほとんど同じである。また，それぞれの元素で同位体の存在比はほぼ一定である。

同位体の中には，中性子が多いため壊れやすく，放射線を出して崩壊し別の原子核に変わるものもありこれを〔　放射性同位体　〕またはラジオアイソトープという。放射性同位体は壊れる時間（速度）が一定であり，元の量の半分になる時間をその放射性同位体の〔　半減期　〕という。たとえば，¹⁴Cは放射性同位体で，炭素原子全体の0.01％程度存在する。¹⁴Cの半減期は5730年である。生きている生物は常に代謝をしているのでこの割合が保たれるが，死んでいる場合は，徐々に¹⁴Cが減少していく。古代遺跡の木材（死んでいる木）などは，¹⁴Cの割合を調べることによって何年前の木材か計算（推定）することができる。¹⁴Cが0.005％なら〔　5730　〕年前のものと判断できる。

【電子配置】

電子殻

　原子を構成する電子は，原子核のまわりにいくつかの層に分かれて存在する。この電子が入る層を〔　電子殻　〕という。電子殻は内側のからK殻，L殻，M殻，…とKから始まるアルファベット順でよぶ。それぞれの電子殻に入りうる電子の数は，K，L，M，…をn＝1，2，3，…とすると，〔　2n²　〕個となる。