原子核 | 勉強嫌いの放物

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】

たなまる — Wed, 02 Jul 2025 02:54:32 +0000

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。

粒子	電荷	相対質量（電子＝1）	質量（原子質量単位：Da）
陽子	＋1	約1836倍	約1.0073 Da
中性子	0	約1839倍	約1.0087 Da
軌道電子	−1	1（基準）	約0.00055 Da

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？

答を確認する。

A11　原子と原子核のちがいをやさしく解説｜構造・役割・力の関係がわかる！

たなまる — Tue, 24 Jun 2025 09:05:42 +0000

先生、原子って……正直、何なんですか？
すごい小さいのは知ってますけど、イマイチ見えてこないっていうか……

たまのすけ

たなまる

そうだね。原子は小さすぎて見えないんだ。
つまり、我々の想像力が試される存在ってことさ！

想像力っちゅうか……
見えないなら別に知らんでもええんちゃうか？

牛助

たなまる

そのセリフ、20年前の私が言ってたやつだ……
牛助レベルだったのか……泣

でも実は、この“見えないくらい小さい世界”を知ることが、
放射線や医療技術を理解するうえでの第一歩になるんです。

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「うっ」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、順を追ってわかりやすく解説していきます。

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。

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　A11　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

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。

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。

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「電子」からできています。

原子核の中には、陽子（＋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（－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。

「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・電子のちがいを表で確認！

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。

ここで少し、中心にある「原子核」に注目してみましょう。

原子核の構造とその特徴

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）」と呼ばれることもあります。

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。

ちなみに、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。

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。

たなまる

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。

原子核の中をのぞくと？陽子と中性子の世界

ここまでで、原子の中心には「原子核」があり、その中に陽子と中性子が入っていることを見てきました。
このふたつは、まとめて「核子（かくし）」と呼ばれることもあります。

陽子と中性子の数のバランス

原子によって、陽子と中性子の数のバランスは異なります。

陽子の数＝原子番号に一致し、「その原子が何か（＝元素の種類）」を決める。
中性子の数は一定ではなく、同じ元素でも数が異なることがあります。

このような、「陽子の数は同じだけど中性子の数が違う原子」のことを、
「同位体（アイソトープ）」と呼びます。

例：酸素には、酸素16（陽子8＋中性子8）や酸素18（陽子8＋中性子10）などがあります。

陽子と中性子の違い、もう少しだけ

表2　核子の性質

核子	電気の性質	役割
陽子	＋の電気	原子の性質（元素の種類）を決める
中性子	電気なし	原子核を安定させるために必要

原子核の中では、陽子同士が＋同士で反発し合うため、その反発を中性子が緩衝材のように緩和してくれているんです。

つまり、中性子がいないと原子核がバラバラに壊れてしまう…そんなこともあるんです。

このように、陽子と中性子の数とバランスが、原子核の安定性に大きく関わっています。

次はその「安定・不安定」の理由を深掘りしてみましょう！

原子核がバラバラにならない理由＝“核力”

あの…先生……原子核の中って、陽子がいっぱい入ってるんですよね？
＋と＋って反発するんじゃ……？え、ケンカしてません？

たまのすけ

たなまる

いい質問だね。陽子たちは確かにケンカ腰だよ。けど、強力な仲裁役がいるんだ。

それ、オレが入ったら余計に揉めるやつやな……

牛助

たなまる

うん。牛助が入ったら核崩壊が加速するね。笑

前のセクションで、原子核の中には陽子と中性子が詰まっていることを学びました。
でも、陽子って＋の電気を持っていて、お互いに反発し合うはずですよね。

それなのに原子核がバラバラにならないのは、それを抑える別の力があるからなんです。

陽子は電気的に反発している

同じ正の電荷（＋）をもつ陽子同士は、クーロン力によって強く反発しています。
「集まっていること自体おかしいじゃん？」と思って当然。

でもこの電気的な反発に対抗する、とてつもなく強い力があるんです。

それが「強い核力」

原子核の中で働く、陽子と中性子をまとめる力。
それが「強い核力（または強い相互作用）」です。

とても強い力だけど、ごく短い距離（約1 fm）でしか働かない
陽子・中性子のあいだで作用して、原子核をひとまとまりにしている

イメージ的には、「反発しあう陽子たちを、超強力なマジックテープで中性子がまとめてる」感じです。

不安定になるとどうなる？

核力のバランスが崩れると、原子核は不安定になります。

中性子が少なすぎたり
陽子が多すぎたり

すると、核が自分で安定しようとして、放射線を出して変化（崩壊）します。
これが、放射性崩壊と呼ばれる現象です。

原子核の「安定」は力のせめぎあい

クーロン力（陽子同士の反発）
強い核力（核子同士を引きつける）

この二つの力のバランスで、原子核の安定性が決まります。

次は、ここまでの内容を総まとめしつつ、「放射線との関係」について少し触れてみましょう！

原子の構造を理解することで見える世界

ここまで、原子の基本構造から始まり、原子核の中身やそれを支える力の話まで見てきました。
ポイントをおさらいしましょう。

今回のまとめポイント

原子は、「原子核」と「軌道電子」からできている。
原子核の中には、陽子（＋）と中性子（0）が入っていて、「核子」と呼ばれる。
電子は決まった殻（電子殻）に収まっており、その配置が原子の性質に影響する。
陽子同士の反発を強い核力が抑えているため、原子核はまとまっていられる。
このバランスが崩れると、放射線を出して安定化しようとする＝放射性崩壊が起こる。

原子構造がわかると、放射線が「なぜ出るのか」が見えてくる！

放射線は、突然降って湧いた謎のビームではありません。
原子核の構造、そこに働く力のバランスを知れば、

「あぁ、不安定だから放射線を出したのか」
「中性子の数が多かったから崩壊しやすかったのか」

というように、理由がちゃんと見えるようになります。

これがわかってくると、次に学ぶ「放射線の種類」や「エネルギー」についても、理解しやすくなるんです。

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。

解答を確認する。

原子核 | 勉強嫌いの放物

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】

さっそく解答例

解説

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

中性子の方がちょっとだけ重い

中性原子では、陽子数＝電子数になる！

陽子数＋中性子数＝質量数！

原子核のバリエーションを知ろう

同位体とは？【isotope】

同中性子体とは？【isotone】

同重体とは？【isobar】

鏡像体（鏡像核）は同重体の“特別バージョン”

核異性体は「中身は同じでも、エネルギー状態が違う核」

実際の過去問も見てみよう。

A11 原子と原子核のちがいをやさしく解説｜構造・役割・力の関係がわかる！

さっそく解答例

解説

原子とは？構造を図でざっくり理解しよう

「原子」とは何か？言葉の定義を確認しよう

陽子・中性子・電子のちがいを表で確認！

原子核の構造とその特徴

国家試験でのポイント：主任者向けに覚えておきたい式

原子核の中をのぞくと？陽子と中性子の世界

陽子と中性子の数のバランス

陽子と中性子の違い、もう少しだけ

原子核がバラバラにならない理由＝“核力”

陽子は電気的に反発している

それが「強い核力」

不安定になるとどうなる？

原子核の「安定」は力のせめぎあい

原子の構造を理解することで見える世界

今回のまとめポイント

原子構造がわかると、放射線が「なぜ出るのか」が見えてくる！

実際の問題を見ていきましょう

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】

A11　原子と原子核のちがいをやさしく解説｜構造・役割・力の関係がわかる！