原子の構造

原子は、私たちの身の回りにあるすべてのものを構成する基本的な要素です。 原子には元素と呼ばれるさまざまな種類がありますが、それぞれの原子には共通する特徴があります。 すべての原子には、原子核と呼ばれる高密度の中心核があります。 原子核を形成しているのは、プラスの電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子という2種類の粒子である。 すべての原子には少なくとも1個の陽子が含まれており、その数によって原子の種類が決まる。 例えば、酸素原子の陽子の数は8個です。 もし、この原子の陽子の数を7に変えることができたら、他の要素は同じでも、酸素原子ではなく、窒素原子になります。 このような理由から、元素は陽子数（原子番号）で分類されています。

すべての原子には、陽子と中性子のほかに、正電荷を帯びた核の周囲の空間を動き回る負電荷を帯びた粒子である電子があります。 電子は陽子や中性子に比べて質量が非常に小さいため、図面上ではずっと小さく描かれています。 実際、電子の質量は非常に小さく、原子の質量には含まれない。 しかし、電子1個の電荷の強さは陽子1個の電荷の強さと同じであり、電子は質量が小さいにもかかわらず、原子の電荷のバランスをとるのに重要な役割を果たしています。 特に断りのない限り、原子は常に陽子と同じ数の電子を持っているので、原子番号を見れば電子数を知ることができます。

原子の陽子数と電子数の求め方はわかりましたが、では中性子はどうでしょうか。 ある元素の原子は何個の中性子を持っているのでしょうか。 中性子の数は、陽子と電子の数と同じとは限りません。 例えば、水素は陽子と電子を1個ずつ持っていますが、中性子は全く持っていません。 これは、原子質量を見て判断します。 原子はとても小さく、パソコンの画面上の小さな点を見るのに100万個近く必要ですが、小さな原子には確かに質量があり、空間を占めています。 この質量は原子核に由来します。 陽子と中性子の質量はほぼ同じで、単位はダルトン、つまり原子質量単位（アムス）です。 単位は陽子1個で定義されているので、1陽子＝1中性子＝1ダルトン＝1amuです。 電子にも質量はありますが、陽子の質量の約2000分の1です。 私たちが知っている原子の中には、総質量に影響を与えるほどの電子はありません。したがって、総質量は、原子の中の陽子と中性子の合計に等しいのです。

周期表の元素情報を見れば、原子の陽子数と原子質量がわかるので、原子質量から陽子数を引くことで、原子の中性子数を計算することができます。 周期表を見ると、自然界に存在するすべての元素の同位体の平均的な原子質量が記載されています。 例えば、周期表の中で炭素の原子質量は12.01です。 中性子の一部を持つことはできないので、炭素は6.01個の中性子を持つことはできません。 この値が6を超えるのは、ほとんどの炭素原子が6個の中性子を持つ一方で、7個の中性子を持つ炭素原子や8個の中性子を持つ炭素原子が存在するからです。

原子構造

このビデオでは、原子とその構成要素がどのように組み合わされているかを説明しています。

価電子

一般的な原子を扱う機会があったので、もう少し掘り下げてみましょう。 電子は、陽子のプラスの電荷に引き寄せられて原子の中に留まりますが、陽子や中性子のように原子と密接に結びついているわけではありません。 電子は、原子の中で占有できるスペースが多く、しかも原子の中の特定の場所に結びついているという、複雑な粒子です。

電子は、負の電荷を帯びているため、近づきすぎると反発し合います。

電子は負の電荷を共有しているため、近づきすぎると反発し、逆に原子核の正の電荷に引き寄せられます。

電子は原子核の周りのエネルギー殻（電子殻ともいう）に配置されています。 電子には十分なスペースがありますが、電子は皆、自分を引きつけている正の核電荷に最も近づきたいと思っています。 一方、電子は負の電荷を持っているために互いに反発し合い、原子核に近づけるのはわずかな数だけである。 現実的には、原子核に最も近い3次元空間には、2個の電子しか入らない。 この空間を第1エネルギー殻と呼ぶ。 原子の中に3つの電子がある場合、最初の2つの電子は第1エネルギー殻に入ります。 3番目の電子は、原子核から少し離れた3次元空間である第2エネルギー殻に落ち着かなければならず、そこでは単独となる。

第2エネルギー殻は、電子が最も多くの時間を過ごす4つの電子軌道の中にペアで配置された、8個もの電子を保持できる大きさです。

エネルギー殻が完全に満たされていないと、その中の電子は安定せず、反応しやすくなります。

エネルギーシェルが不完全に満たされていると、その中の電子は安定性に欠け、反応しやすくなります。

電子数とエネルギーシェルを用いて、原子の価電子数と予想される反応性のレベルを決定することができます。 下の例では、エネルギーシェルを原子核の周りに円で描いていますが、これは実際の電子経路を表すものではないことを覚えておいてください。 エネルギー殻を同心円状に描くのは、そのエネルギー殻の中の電子が原子核の周りを回っている平均的な距離を表しているのです。 実際には、電子は図のような円形の軌道ではなく、もっと複雑な経路で原子核を回っています。