核力 | 勉強嫌いの放物

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。

A18 核力ってなに？荷電独立性までやさしく解説

たなまる — Sat, 15 Mar 2025 06:25:54 +0000

先生、陽子と中性子って電荷が違うのに、
どうして同じようにくっつけるんですか？

たまのすけ

そんなもん、オレとたまのすけみたいなもんやろ。
性格バラバラでも、何やかんや一緒におるやんけ！

牛助

電爺

ふぉっふぉ。
性格なんぞ違うほうがかえって惹かれ合うもんじゃて。
のぉ、たなまるんとこもカミさんとそうじゃろ？

たなまる

（うわっ！コッチ飛んできちゃったよ）
はいはい。
実は核力には“荷電独立性”っていう性質があってね。
今日はそこを解説していこう。

原子核の中では、陽子と中性子がぎゅっとまとまっています。
でも陽子は同じ正の電荷を持っているはず。普通ならクーロン力で反発しあってバラバラになりそうなのに、なぜ原子核は崩れないのでしょうか？

この記事では、原子核をまとめる「核力」の正体と、その特徴のひとつである「荷電独立性」についてわかりやすく解説します。

陽子同士、陽子と中性子、中性子同士 ― どんな組み合わせでも同じように働く核力。その性質を図や実際の試験問題を交えて整理していきます。

核力には「強い力」という特別な役割があり、電荷に関係なく核子を結びつける仕組みがあります。この性質を理解することで、原子核が安定する理由や試験で問われるポイントがスッキリと見えてきます。

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　A18　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。

核力とは？

4つの力の中の「強い力」

私たちの世界に働く力は、大きく4種類に分けられます。

重力
電磁気力（クーロン力など）
強い力（核力）
弱い力

このうち「核力」は、陽子や中性子などの核子どうしを結びつける特別な力です。

「4つの力」を覚えていますか？
忘れてしまった方はコチラで復習を。

強い力・弱い力・電磁気力・重力って何？自然界の4つの力まとめ自然界で働く4つの力

4つの力自然界に存在する力を分類すると以下の4つになります。強い力（色の力）電磁気力弱い力重力我々の生活する範囲では、「電磁気力」と「重力」しか感じることはありません。「強い力」と「弱い力」は原子レベルのサイズ感で働いています。また「強い力...

原子核の中の話ですから、関係するのは「陽子」と「中性子」ですね。
ときどき軌道電子が原子核の中にあると思い込んでいる方を見かけますが、軌道電子は原子核の周りを周回している電子ですから、原子核の中には存在しませんので、ご注意を。

核子（陽子・中性子）の組み合わせは3通り

核子は、電荷をもつ「陽子」と、電荷をもたない「中性子」の2種類があります。
それぞれの組み合わせは次の3通り：

陽子どうし
陽子と中性子
中性子どうし

そして驚くことに、どの組み合わせでも核力はほぼ同じ強さで働くのです。これが後で学ぶ「荷電独立性」につながっていきます。

陽子と中性子の組み合わせを見てみよう

核子には陽子と中性子があり、組み合わせは3通り考えられます。
ここでは、それぞれの場合に働く力を整理してみましょう。

陽子と陽子の組み合わせ

陽子同士の結合の場合、お互いに引き合う「核力」（図中の白矢印）のほかに離れあおうとする電磁気力の一種である「クーロン斥力」（図中の黒玉矢印）が働きます。

それでも原子核の中でバラバラにならないのは、核力がクーロン斥力を上回るほど強く働くからです。

陽子と中性子の組み合わせ

片方は電荷をもち、もう片方は電荷をもたない組み合わせです。
このときはクーロン力の影響はなく、純粋に核力だけが2つを結びつける役割を果たします。

つまり、陽子と中性子の結合の場合は「核力」のみが働きます。

中性子と中性子の組み合わせ

中性子は電荷をもたないため、クーロン力は働きません。
しかし核力はしっかり作用し、中性子どうしでも強く引き寄せ合うことができます。

つまり、中性子同士の結合の場合も「核力」のみが働きます。

荷電独立性とは？

どの組み合わせでも核力の強さは同じ

陽子どうし、陽子と中性子、中性子どうし――。
電荷の有無や組み合わせが違っても、核力の強さはほぼ同じです。

この「電荷に依存しない性質」を 荷電独立性（charge independence） と呼びます。
つまり核力は「陽子だから強い／中性子だから弱い」といった区別をせず、平等に働いているのです。

クーロン力とのちがいに注意

ここで混同しやすいのがクーロン力です。
クーロン力は電荷が同じなら反発し、異なれば引き合うというように、電荷に依存して変化する力です。

一方で核力は、電荷を気にせず核子を結びつける力。
この違いをしっかりと整理しておけば、試験問題でも迷わうことも少なくなります。

たなまる

クーロン力は電荷に依存するけど、核力は電荷に依存せずに独立しているんだよ。

核力の有効範囲

近づけば強く、離れれば急激に弱まる

核力は「強い力」と呼ばれますが、無限に働くわけではありません。
実際には ごく近い距離（およそ1フェムトメートル＝10⁻¹⁵m程度）で強く作用し、離れると急激に弱まる のが特徴です。

つまり、核子どうしが十分近づいたときだけ強い結びつきが生まれるのです。

有効範囲を超えると「ゼロ」になる

核力には有効範囲があります。
その特徴も少し変わっています。

クーロン力であれば、近ければ強く、離れれば弱くなります。
X線の線量も同様です。
距離の逆二乗則でしたね。

核力の場合は、大げさな図で示したように、近いとそんなに強く働きません。
遠いほうが強く働きます。

この時点でクーロン力などとは逆の性質を持っています。

さらに、核力には有効範囲が設定されています。

有効範囲を超えてしまうと、途端に「0」になってしまいます。

つまり、「核力は有効範囲内では離れるほど強くなり、有効範囲を超えるとゼロになる。」という特徴があります。

このように核力が核子をまとめると、その結合のエネルギーが質量の減少として現れます。これを質量欠損と呼び、核力の存在を裏づける大切な現象です。（詳しくはA15の記事で解説します）

A15　原子核の質量が軽くなる？質量欠損とエネルギー

「複数の粒子がくっつくと、なぜか質量が減っている」教科書でそんな記述を読んで、モヤッとした経験はありませんか？「え？合体したのに質量が減るって、どういうこと？」と思った方も多いはずです。この記事では、「なぜ原子核が結合すると軽くなるのか？...

実際の問題を見ていきましょう。

ちょっと古い問題ですが、いかがでしょうか？

解答を確認する。

核力 | 勉強嫌いの放物

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

A18 核力ってなに？荷電独立性までやさしく解説

さっそく解答例

核力とは？

4つの力の中の「強い力」

核子（陽子・中性子）の組み合わせは3通り

陽子と中性子の組み合わせを見てみよう

陽子と陽子の組み合わせ

陽子と中性子の組み合わせ

中性子と中性子の組み合わせ

荷電独立性とは？

どの組み合わせでも核力の強さは同じ

クーロン力とのちがいに注意

核力の有効範囲

近づけば強く、離れれば急激に弱まる

有効範囲を超えると「ゼロ」になる

実際の問題を見ていきましょう。

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！