A12　原子核の構造と核子・質量数の違いをやさしく解説【原子番号・同位体も整理】

はじめまして！ぼく、原子くんです！
外は電子、内側には夢と核子が詰まってます！

原子

夢て……いや詰まっとるんは陽子と中性子やろ。
夢ちゃうやろ。

牛助

陽子と中性子の間には、“核力”という名の愛があるんですよ…！

原子くん

……なんか、核の中に詩人がいますね…

たまのすけ

たなまる

はい、じゃあ今回は、その原子くんの“中身”――
つまり原子核の構造について解説していこうか。

「陽子と中性子って何が違うの？」
「核子って言葉、急に出てくるけど覚えにくい…」
「質量数と原子番号、どっちがどっちだっけ？」
――そんなふうに、原子核まわりの用語がゴチャゴチャして困っていませんか？
我々講師は簡単な分野と思いがちですが、意外と把握できていない学生も少なくありません。

この記事を読めば、陽子・中性子・核子の関係がはっきりわかり、
さらに「質量数ってなに？」「同位体ってどんなもの？」といった疑問もスッキリ整理できます！
自分の言葉で説明できるようになるのが目指すところです。

国家試験でも頻出のこのテーマを、
図や表を使ってわかりやすく解説します。
さらに、新キャラ「原子くん」と一緒に、原子核の中までのぞいてみましょう！

このページでは、ワークの内容をベースに、
よく混同しがちな用語を1つずつ丁寧に整理していきます。
国試で問われるポイントも明示するので、試験対策にも直結！

これまで600人以上の学生を診療放射線技師へと導いた経験から、わかりやすくお伝えしていきます。

さっそく解答例

　「初学　放射線物理学　ワークブック」検索番号　A12　の穴埋め解答例と解説です。
　先に自分で穴を埋めてみてからの答え合わせでも良いですし、解答例を写してから覚えていっても良いです。ご自分に合ったスタイルで取り組んでください。

解説

核子や核種など新しい用語も出てきましたね。
それぞれ見ていきましょう。

原子核ってどんな構造？

陽子と中性子をまとめて「核子」っていうよ

原子核の中には、陽子（＋の電荷を持つ）と中性子（電荷なし）がぎゅっと詰まっています。
この2つをひとまとめにして、「核子（かくし）」と呼びます。

ポイント：
「核子」はあくまで総称であり、陽子や中性子の“種類”を問わずに使える便利な言葉です。

そして、陽子と中性子の数を合計したものを「核子数」と呼びますが、
これは実質的に「質量数」と同じ意味になります。

核子数 ＝ 質量数 ＝ 陽子数＋中性子数

国家試験では、「核子数を求めよ」「質量数を答えよ」といった問題がどちらの表現でも出るため、両者を同じものとして理解しておくのが大切です。

中性子の方がちょっとだけ重い

陽子と中性子は非常に似た質量を持っていますが、実は中性子の方がわずかに重いです。

豆知識：
この「わずかな差」は、ベータ崩壊で中性子が陽子に変わるときのエネルギー差にも関係してきます。
国試では「中性子の方がわずかに重い」という表現そのものが選択肢で出ることも！

補足：
「Da（ダルトン）」は、近年「u（原子質量単位）」の代わりに使われることが増えてきた表記です。
試験ではどちらの表記も見かける可能性がありますが、意味は同じです。

中性原子では、陽子数＝電子数になる！

「中性原子」とは、電気的にプラスマイナスがつり合った原子のこと。
つまり、陽子の数と電子の数が等しいという状態です。

この陽子の数は「原子番号」と呼ばれ、元素の“種類”を決める超重要な数です。

例：酸素（O）の場合
原子番号：8 → 陽子が8個 → 電子も8個

陽子数＋中性子数＝質量数！

「質量数」とは、陽子数と中性子数を足した合計のことです。
これは「原子全体の重さの中心部分＝原子核の重さ」をおおざっぱに表す数値になります。

• 原子番号（Z）：陽子の数
• 質量数（A）：陽子数＋中性子数（＝核子数）

国家試験ではこの2つを混同させるひっかけ問題も多いので、注意して整理しておきましょう！

原子核のバリエーションを知ろう

同位体とは？【isotope】

同じ元素でも、中性子の数が異なる原子のことを「同位体（アイソトープ）」と呼びます。
ポイントは、「陽子数＝原子番号は同じ」であるという点です。

例：

• ¹²C（陽子6個＋中性子6個）
• ¹³C（陽子6個＋中性子7個）
  → どちらも**炭素（C）**という同じ元素だが、中性子数が違う＝同位体！

国家試験では「放射性同位体」と「安定同位体」の違いが問われることもあります。

• 安定同位体：放射線を出さず安定して存在する
• 放射性同位体（RI）：壊変（崩壊）して放射線を出す

同中性子体とは？【isotone】

「同中性子体（isotone／アイントーン）」とは、
中性子数が同じで、陽子数と質量数が異なる原子核のことをいいます。

たとえば、以下の3つの原子核を見てみましょう：

📷【画像：同中性子体（C, N, O）】

• ¹⁴₆C → 中性子数 = 14 − 6 = 8
• ¹⁵₇N → 中性子数 = 15 − 7 = 8
• ¹⁶₈O → 中性子数 = 16 − 8 = 8

ポイント：
パッと見た感じでは「バラバラな元素」に見えますが、
中性子数はすべて8個で統一されている＝同中性子体となります。

同重体とは？【isobar】

同重体（isobar）とは、
質量数（陽子数＋中性子数）が同じで、中性子数・陽子数が異なる原子核を指します。

⁵⁶Mn・⁵⁶Fe・⁵⁶Coの3つの原子核が描かれています。

• それぞれ元素は異なり、陽子数・中性子数の組み合わせもバラバラです。
• しかし共通して、質量数が「56」で統一されています！

ポイント：
「同じ重さ（＝核子数）でも、中身の構成は違う」
それが同重体の特徴です。
この“中身の違い”が、放射線の性質や壊変モードに大きく影響することもあります。

用語の由来：「iso（同じ）」＋「baros（重さ）」＝同じ重さ！

鏡像体（鏡像核）は同重体の“特別バージョン”

質量数は同じまま、陽子数と中性子数が入れ替わったような関係を「鏡像体（mirror nuclei）」と呼びます。

たとえばこちらの図を見てみましょう。
⁷₁₅Nと⁸₁₅Oは、どちらも質量数が15で共通しています。
ただし、陽子数と中性子数がそれぞれ 「7と8」↔「8と7」 で真逆になっているのが特徴です。

このように、陽子数と中性子数が“ちょうど逆”になっている同重体のことを、特別に鏡像体（きょうぞうたい）と呼びます。

※鏡像体は同重体の一種です。

核異性体は「中身は同じでも、エネルギー状態が違う核」

陽子数も中性子数も同じなのに、エネルギー準位が異なる核種を核異性体（isomer）と呼びます。
つまり、「まったく同じ核種に見えるけど、中のエネルギー状態だけが違う」という関係です。

たとえば図にある ⁹⁹ᵐTc と ⁹⁹Tc。
両方とも質量数99のテクネチウムですが、左の “m” 付きの方は「準安定状態」を示しており、高いエネルギー状態にあります。

🔍 ポイント

• 「m」は“metastable（準安定）”の略。
• エネルギー状態が高いぶん、崩壊して安定な状態へ移行しようとします。
• 医療分野では、99mTcは核医学検査において非常に重要な放射性核種です。

実際の過去問も見てみよう。

この問題は第67回の国家試験「放射化学」分野で出題されたものです。しかも午前1問目！

つまり、最初の問題を取れるかどうかで勢いがつく重要な1問です。
ここでつまずかないためにも、しっかり理解しておきましょう。

放物の問題ではないですが、原子核の構造という内容ですから、取り上げてみました。

答えは分かりましたか？

医療現場でこの知識がどう役立つの？

核種の分類は、診療放射線技師として働くうえでとても重要です。なぜなら、使う放射性核種がどのタイプに属するかによって、取り扱い方や安全管理、さらには検査や治療の設計そのものが変わってくるからです。

たとえば――

• 核異性体の例：⁹⁹ᵐTc（テクネチウム）
  • 核医学検査で頻繁に使われる放射性同位体です。
  • 「m」は準安定状態を示し、これがあることで比較的長時間のガンマ線放出が可能になり、撮影に適しています。
• 同位体の理解はPETでも重要
  • ¹⁸F（フッ素）や¹¹C（炭素）など、陽電子を放出する同位体を使って体内の代謝活動を可視化します。
  • これらの核種は「同位体」でありながら、放出される粒子の違いが診断精度に影響します。
• 同重体や鏡像体は研究分野で活躍
  • 医療現場ではそれほど直接使われることは少ないですが、放射線治療計画や核種選定の研究では、安定性や崩壊パターンの理解に役立ちます。

まとめ

たなまる

核種の分類は、毎年のように狙われる頻出テーマ！
「同位体・同重体・核異性体」のちがいを確実に押さえて、
サクッと見分けられるようにしておきましょう！

お願い

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電爺

ほれ、ここまで読んだんなら、次はこのあたりを見ておくとえぇぞい。

ほれ、「原子」と「原子核」をごっちゃにしとる若者が多いんじゃよ。ここで一度、頭ん中を整理しとくとスッキリするぞい。

エネルギーってのは、力を生む“タネ”じゃ。
ジュール？ 電圧？ よく分からん？
ならA03で、エネルギーの正体を一緒に探ってみようぞ。

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たまのすけ

核種の分類について、もう少し深掘りしたい人は、以下のリンクが参考になりますよ！

原子核の安定性と核種の種類（Atomica）
日本原子力研究開発機構が運営する「ATOMICA」の信頼性の高い情報です。同位体・同重体・核異性体の違いについてもしっかり書かれています！

Wikipedia：同位体（Isotope）
基礎的な知識をサクッと確認したいときはWikipediaも便利です。図も多くてわかりやすい構成になっています。