原子の中

原子がサッカースタジアムほどの大きさだとすると、原子核は真ん中に置いたエンドウ豆一粒くらいの大きさです。

アルミニウムはくを半分に切り、さらに半分に切り、それを続けてみましょう。はくがなくなるずっと前に、もう一度切るとアルミニウムではなくなってしまうほど小さなかけらにたどり着きます。そのいちばん小さなかけらが原子です。原子一個の直径は約百億分の一メートルで、どんな光学顕微鏡でも見えないほど小さいのですが、どの原子もたった三種類の粒子でできています。

三つの粒子

陽子と中性子は、中心にある小さな原子核にぎっしりと詰まっていて、原子の質量のほとんどをになっています。電子はそのまわりに広がっていて、原子の空間のほとんどを占めています。原子核の直径は、原子全体の10,000分の一から100,000分の一ほどしかありません。NISTによると陽子は電子の1836.15倍の重さなので、電子が多い原子でも、電子による質量は全体の1%よりずっと小さくなります。

異なる電荷は引き合うので、負の電荷をもつ電子は正の電荷をもつ原子核の近くに引きつけられています。ところが陽子どうしは反発し合うので、電気の力しかはたらいていなければ、陽子をいくつかもつ原子核はばらばらになってしまいます。強い核力とよばれるずっと強い力が陽子と中性子を結びつけていますが、この力がはたらくのは原子核の中のごく短い距離だけです。

原子番号

原子がどの元素かは、陽子の数で決まります。陽子が6個の原子はすべて炭素で、8個の原子はすべて酸素です。この数を原子番号といい、周期表は1の水素から順に原子番号の順に並んでいます。電気的に中性な原子では、電子の数が陽子の数と等しいので、電荷が打ち消し合います。原子が電子を失ったり受けとったりするとイオンになります。電子を一個失ったナトリウムは陽子11個と電子10個をもつので、+1の電荷を帯びます。

質量数と同位体

陽子の数と中性子の数の和を質量数といいます。同じ元素の原子でも、中性子の数がちがうことがあります。これを同位体といいます。炭素-12は中性子を6個もち、古いものの年代測定に使われる炭素-14は8個もちます。名前のあとの数は質量数なので、中性子の数はいつも質量数から原子番号をひいた数になります。

どうやってわかったのか

陽子をレンズでのぞいた人はいません。それぞれの粒子は、実験から推定されたものです。1897年、ケンブリッジのキャヴェンディッシュ研究所のJ・J・トムソンは、陰極線がどの原子よりもずっと軽い、負の電荷をもつ小さな粒子、つまり電子でできていることを示しました。アーネスト・ラザフォードのチームは、速いアルファ粒子を薄い金ぱくに当て、ごく一部がほぼまっすぐはね返ってくることを見つけました。1911年、ラザフォードはこれを、小さくて重く正の電荷をもつ原子核で説明しました。ジェームズ・チャドウィックは1932年、原子核には電荷をもたない粒子、中性子もあることを証明し、それによって1935年にノーベル物理学賞を受賞しました。