高校化学基礎 Unit 02 ・単元2「物質の構成粒子」1/3ページ

原子の構造

原子はどんな粒子からできている？同じ元素なのに質量が違う同位体とは？
原子の内部構造と同位体・原子量の概念を、はじめての人から難関大志望者まで使えるレベルで学ぼう。

⚛️ 3つの粒子🔢 原子番号・質量数🔬 同位体と原子量

単元マップ:物質の構成粒子

この単元は3ページに分かれている。まず原子そのものの中身(このページ)を学び、次にその原子が電子をやり取りしてイオンになるしくみを学び、最後にすべての原子を一覧できる周期表に進むと理解しやすい。

図0:単元2は3つのページ(原子の構造・電子配置とイオン・周期表と元素の性質)で構成される。緑と紫のボックスをクリックすると次のページへ進める。

原子の構成粒子

身の回りのすべてのもの——空気中の酸素も、水を作る水素も、体の中の炭素も——は、目に見えないほど小さな「原子」という粒でできている。その原子自体も、実はさらに小さな3種類の粒(陽子・中性子・電子)からできている。

原子を野球場に例えると、中心のマウンドにあたる部分(原子核)に陽子と中性子がぎゅっと集まっていて、そのはるか外側を電子がものすごい速さで飛び回っているイメージ。原子のほとんどは、実はスカスカの空間でできている。

原子は中心の原子核(陽子＋中性子)と、その周りを運動する電子からなる。陽子の数が元素の種類を決める。

⚛️ 3つの粒子の比較

粒子	記号	電荷	相対質量	場所
陽子	p	＋1	1	原子核内
中性子	n	0	1	原子核内
電子	e⁻	−1	約 1/1840	核外(電子殻)

FORMULA — 原子番号・質量数原子番号 Z = 陽子数 = 電子数(中性原子)　　質量数 A = 陽子数 Z + 中性子数 N 元素記号の左上に質量数、左下に原子番号を書く:例 ¹²₆C(炭素12)

🧪 身近な原子の例

水素原子 H(原子番号1):最も軽い原子。陽子1個のみで中性子を持たない(¹H)ものが大部分
酸素原子 O(原子番号8):呼吸で吸う酸素分子O₂を構成。陽子8・中性子8が主
炭素原子 C(原子番号6):体を作るタンパク質・DNAの骨格。陽子6・中性子6が主

❌ よくある誤解

誤:陽子・中性子・電子は、質量も原子核内での存在感も同じくらいだ正:電子の質量は陽子・中性子の約1/1840しかなく、原子の質量はほぼ原子核(陽子+中性子)が担っている

そのため化学反応で原子の質量を考えるときは、電子の質量は無視して差し支えないことが多い。

誤:原子番号と質量数は同じ意味だ正:原子番号は陽子の数だけを表し、質量数は陽子数+中性子数を表す。中性子の数がわからないと質量数は決まらない

同じ原子番号(同じ元素)でも中性子数が異なれば質量数は変わる。これが次の「同位体」の考え方につながる。

図1:炭素原子の構造。原子核に陽子6個・中性子6個が集まり、まわりをK殻2個・L殻4個の電子が取り囲む。

💡 なぜ原子核はプラスの電荷を持つ陽子どうしが集まっているのに、反発してバラバラにならないのか? 陽子どうしには電気的な反発力がはたらくが、それよりもさらに強い「核力」という別の力が非常に近い距離でだけ働き、陽子と中性子を結びつけている。核力の詳しいしくみは大学の物理・化学で扱う。

同位体と原子量

同じ「水素」でも、実はほんの少しだけ重いタイプが自然界にわずかに存在する。これが「同位体」。双子のきょうだいのようなもので、名字(元素の種類)は同じだけど、体重(質量)がわずかに違うとイメージするとわかりやすい。

遺跡や化石の年代を調べる「炭素年代測定」は、この同位体の性質(一定の速さで数が減っていく)を利用した技術だ。

原子番号が同じで質量数が異なる原子を同位体(アイソトープ)という。天然の元素は複数の同位体が一定の割合で混在しており、その平均を原子量という。

図2:炭素の同位体 ¹²C と ¹³C。陽子数(=電子数)は同じで、中性子数が1個異なる。

🧮 原子量の計算例(塩素 Cl)

天然の塩素:³⁵Cl(75.77%)と³⁷Cl(24.23%)の2種の同位体が存在。

原子量 = 35 × 0.7577 + 37 × 0.2423 = 26.52 + 8.97 ≈ 35.5

炭素12(¹²C)の質量を12と定義し、これを基準にした相対値が原子量。

📋 主要元素の同位体の例

元素	同位体	天然存在比	備考
水素 H	¹H / ²H(重水素D)/ ³H(三重水素T)	99.98% / 0.016% / 微量	³H は放射性
炭素 C	¹²C / ¹³C / ¹⁴C	98.9% / 1.1% / 約1兆分の1	¹⁴C は放射性;半減期約5730年で年代測定に使用
塩素 Cl	³⁵Cl / ³⁷Cl	75.8% / 24.2%	原子量 ≈ 35.5

❌ よくある誤解

誤:同位体どうしは別の元素だ正:同位体は陽子数(原子番号)が同じで中性子数だけが異なる、同じ元素の原子どうしである

元素の種類を決めるのは陽子数だけ。中性子数が違っても、陽子数(=原子番号)が同じなら同じ元素として扱う。

誤:原子量は整数(質量数)と同じ値になる正:原子量は天然に存在する同位体の存在比を加味した加重平均なので、小数になることが多い(例:塩素35.5)

質量数(¹²C, ³⁵Clなど)は個々の原子1個についた整数のラベル。原子量はその元素全体の平均値であり、混同しないよう注意。

💡 なぜ¹⁴Cのような放射性同位体が年代測定に使えるのか? ¹⁴Cは一定の速さ(半減期約5730年)で別の原子に変化(壊変)していく。生物が生きている間は呼吸などで¹⁴Cが補充され続けるが、死ぬと補充が止まり、¹⁴Cの割合は半減期に従って一定の割合で減っていく。残っている¹⁴Cの割合を測れば、死んでからの経過時間を逆算できる。

✅ この単元のまとめ

原子核 = 陽子(＋)＋中性子(0);核外に電子(−)。電子の質量は陽子・中性子の約1/1840
原子番号 Z = 陽子数 = 電子数(中性原子);質量数 A = Z + 中性子数 N
同位体:原子番号(陽子数)が同じで質量数が異なる原子。化学的性質はほぼ同じ
原子量:天然の同位体存在比を考慮した相対的な平均質量(¹²C=12を基準)
放射性同位体(¹⁴Cなど)は半減期に従って一定の割合で減少するため、年代測定に利用できる

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