A11　原子の構造をみてみよう！

2025.06.24

原子とは何か？中には何が入ってるのか？
陽子とか電子とか、なんとなく聞いたことはあるけど、
いざ説明となると「はて？どう説明すれば良いんだ？」となる人も多いはず。

この記事では、原子の基本構造から、原子核の中身、
さらには核力や安定性の話まで、順を追って解説していきます。

読み終えるころには、
「原子＝よくわからん小さいやつ」から、
「原子＝超基本でめっちゃ大事なやつ」へと印象が変わること、間違いなしです。

まずは基本のおさらい

まず、初めて学習する方はここを注意しましょう。

「原子」と「原子核」はまったくの別物！

「原子」と「原子核」は似てはいますが、別物です。
一文字あるかないかで全然違うものです。
まずはそこをしっかりと認識してください。

文章を読むときも、「原子」なのか「原子核」なのか注意してみてください。
ちょっと理解が深まるはずです。

「核」この1文字が大事なんだ
「ある」と「なし」で全然意味が違うんだよ。

原子とは？構造を図でざっくり理解しよう

私たちの身の回りにあるすべての物質は、「原子」という粒からできています。
原子はあまりにも小さくて、目で見ることはできませんが、構造自体はとてもシンプルです。

まずはこちらの図をご覧ください。

中心に「原子核」があり、その周囲に複数の「軌道電子」が円軌道上に描かれている原子の模式図。原子核の大きさは 10^(−15)〜10^(−14)[m]、原子全体の大きさは 10^(−10)[m] と示されており、原子核と軌道電子のスケールの違いが視覚的に強調されている。

原子は大きく分けて、中心にある「原子核」と、そのまわりを回っている「（軌道）電子」からできています。

  • 原子核の中には、陽子（＋eの電気をもつ）と中性子（電気をもたない）がギュッと集まっています。
  • 電子（－eの電気をもつ）は、その原子核のまわりをぐるぐる回っています。
  • 「e」は素電荷といって、電荷の最小量を表すものです。その電荷は $\color{#B22222}{\pmb{1.6\times10^{-19}}} $ [C] です。

原子全体を見たときに、電気的な偏りのない原子を中性原子といい、
陽子と軌道電子の数が等しくなります。
※電気的な偏りが生じるとイオンになります。

また、原子核は球体のかたちをしていると考えられていて、
その体積は、球の体積と同じように計算できます。

原子核の大きさは$\color{#B22222}{\pmb{10^{-15}}}$m程度で、
その半径は質量数の$\color{#B22222}{\pmb{\frac{1}{3}}}$乗に比例します。

したがって、原子核の体積は質量数に比例することになります。
詳細な式変形は後ほどご紹介しましょう。

原子の大きさは$\color{#B22222}{\pmb{10^{-10}}}$m程度であり、これは約1[Å（オングストローム）]となる。

「原子」とは何か？言葉の定義を確認しよう

「原子」というのは全体のことを指しています。
その原子の中心にあるのが「原子核」です。
原子核の周りには「軌道電子」が存在します。
「原子核」と「軌道電子」を合わせて「原子」となります。

原子＝原子核＋軌道電子

という感じです。

陽子・中性子・電子のちがいを確認！

粒子電気の性質どこにある？質量の大きさ
陽子＋の電気原子核の中中性子とほぼ同じ
（重い）
中性子電気なし原子核の中陽子とほぼ同じ
（重い）
電子－の電気原子核のまわりとても小さい
（軽い）

このように、原子を構成する3つの粒子は、
「どこにあるか」「電気の性質」「質量」で大きな違いがあります。

それでは、原子の中心にある「原子核」に注目して見ていきましょう。

原子核の構造とその特徴

原子核内部の模式図。白と灰色の球で構成され、陽子と中性子が密集している様子を表している。

原子核の中には、陽子と中性子が詰まっています。
この2つはまとめて「核子（かくし）」と呼ばれます。

また、原子核は球体のかたちをしていると考えられていて、
その体積は、球の体積と同じように計算できます。

陽子の数は軌道電子の数と同じです。
つまり、「原子核の陽子数＝原子の電気的な性質を決めるもの」でもあるんです。

国家試験でのポイント：主任者向けに覚えておきたい式

放射線主任者試験などでは、原子核の体積と質量数の関係式が問われることがあります。
そのときに使うのが、こちらの式です。

$$\color{#B22222}{
\pmb{
\begin{aligned}
r&=r_0 A^{\frac{1}{3}}\\[12pt]
V&=\frac{4}{3} πr^3\\[12pt]
&=\frac{4}{3} π(r_0 A^{\frac{1}{3}})^3\\[12pt]
&=\frac{4}{3} π{r_0}^3 A^{\frac{3}{3}}\\[12pt]
&=\frac{4}{3} π{r_0}^3 A\\[12pt]
\end{aligned}
}}$$

  • ｒ：原子核の半径
  • ｒ0：定数　（1.2～1.4）×10-10　ｍ
  • V：原子核の体積
  • A：質量数

原子核の半径は質量数の1/3乗に比例する。
これは国家試験の常連枝です。

そして、原子核の体積は質量数に比例します。
こちらも最近問われ出しています。

このあたり、国家試験でも出題されることが増えていて、特に放射線主任者試験では定番の内容です。
「原子核の体積 ∝ 質量数」や「半径 ∝ 質量数の3乗根」の関係は、式とあわせてしっかり押さえておきましょう。

実際の問題を見ていきましょう

2012年に実施された第64回からの１問をご紹介しましょう。

第64回　2012年　問42
正しいのはどれか。

  1. 原子番号は陽子数と等しい。
  2. 鉛の同位体は2種類である。
  3. M殻の最大電子数は8個である。
  4. 中性子の質量は陽子よりも小さい。
  5. 天然に存在する元素は106種類である。
解答を確認する。

正解は　1　です。

  1. 原子番号は陽子の数と等しいです。ちなみに中性原子の場合、軌道電子の数とも等しくなります。
  2. 自然界には鉛の同位体は4種類確認されています。（Pb-204, 206, 207, 208）
  3. M殻は最大で18個の軌道電子が入ります。
  4. 中性子のほうがわずかに重いです。電子の質量を基準に覚えてみるのはいかがでしょう？中性子の質量は電子の1839倍、陽子の質量は電子の1836倍です。
  5. 天然元素は現在約90種類が確認されています。ちなみに核医学で有名なTcは人工核種です。

医療現場での関わり

病院で使われるX線やCT、PET、放射線治療などは、
一見すると「放射線」の話に思えるかもしれません。

しかし、その土台になっているのは、今回学んだ原子や原子核の構造です。

放射線が原子とどのように相互作用するのか、
放射性同位元素がどのように放射線を放出するのかなどは、
すべて原子の構造を理解していることが出発点になります。

つまり、原子の構造は放射線物理学の「最初の一歩」となる重要な知識なのです。

まとめ

この記事では、原子の基本構造と、原子核・軌道電子の役割について見てきました。

最後にポイントを振り返ってみましょう。

  • 原子は原子核と軌道電子からできている
  • 原子核には陽子と中性子が存在する
  • 中性原子では、陽子数と軌道電子数が等しくなる
  • 原子核の大きさは約 10－15 m、原子の大きさは約 10－10 mである
  • 原子核の半径は質量数の1/3乗に比例し、体積は質量数に比例する

原子の構造は、放射線物理学を学ぶうえで最初の土台になる知識です。
ここをしっかり押さえておけば、この先の内容も理解しやすくなりますよ。

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次はこの辺りも参考になるかもよ。

この記事を書いた人

たなまる
詳しいプロフィールはこちら

診療放射線技師・医療系専門学校専任教員。

都内大学病院で9年間勤務後、
2015年より医療系専門学校の専任教員として
放射線物理学・核医学・医用工学・放射線計測学・放射化学
などの講義を担当しています。

国家試験対策用ワークブックの制作や学習支援サイト「勉強嫌いの放物」の運営を行っています。

保有資格：
・診療放射線技師
・第1種放射線取扱主任者
・作業環境測定士
・衛生工学衛生管理者
ほか、放射線関連国家資格を保有

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