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原子は原子核とその周りを取り巻く電子でできています。原子核の中には正(+)電荷を帯びた陽子と電荷のない中性子が集まっており、原子核の外側を負(-)電荷を帯びた電子が高速で動きながら取り囲んでいます。原子核は原子全体の体積のごく一部しか占めませんが、質量の大部分を占めています。
原子番号は原子核内の陽子の数を表し、これがその元素が何であるかを決定する固有の値です。質量数は陽子数と中性子数を足した値で、原子核の質量を近似的に表します。例えば炭素は原子番号6番で陽子が6個あり、最も一般的な同位体である炭素-12は質量数が12(陽子6個+中性子6個)です。
電子は原子核の周りを無秩序に回っているのではなく、K、L、M、N殻のように決まったエネルギー準位の軌道(電子殻)に決まった数だけ収まります。各殻に入ることができる電子の最大数は2n²(nは殻の番号)という公式に従い、最も外側の殻にある最外殻電子が化学結合と反応性を決定します。
同位体とは、陽子数(原子番号)は同じでも中性子数が異なり質量数が異なる原子を指します。化学的性質はほぼ同じですが質量と安定性は異なる場合があり、一部の同位体は不安定で放射線を出しながら崩壊する放射性同位体になります。代表的な例として、炭素-12と炭素-14は同じ炭素ですが中性子数が異なる同位体です。
原子は物質を構成する最小の基本単位であり、分子は2個以上の原子が化学結合で結ばれ独立した性質を持つ粒子です。例えば酸素原子(O)一つは非常に不安定ですが、酸素原子二つが結合した酸素分子(O₂)は私たちが呼吸する安定した気体として存在します。水分子(H₂O)のように異なる元素の原子が結合すると化合物になります。
1911年、ラザフォードは薄い金箔にアルファ粒子を撃ち込む実験によって、原子の中心に小さく重い原子核があることを明らかにしました。その後1913年、ボーアは電子が特定の軌道(エネルギー準位)にのみ存在するというモデルを提唱し、現代の量子力学では電子の正確な位置の代わりに発見される確率を表す電子雲(オービタル)モデルが使われています。
原子が電子を失ったり得たりすると、陽子数と電子数が異なり電気を帯びたイオンになります。電子を失うと正(+)電荷を帯びた陽イオンになり、電子を得ると負(-)電荷を帯びた陰イオンになります。ナトリウム原子が電子1個を失ってNa⁺になり、塩素原子が電子1個を得てCl⁻になって結合すると、塩化ナトリウム(食塩)ができます。
私たちの周りのすべての物質は、目に見えない非常に小さな原子でできています。原子の内部構造と性質を理解すれば、物質がどのように結合して分子になるのか、元素ごとに化学的性質がなぜ異なるのかを論理的に説明できるようになります。
原子番号と最外殻電子の概念を身につけたら、周期表の読み方もあわせて確認してみてください。原子構造の知識が、そのまま周期表の配置原理を理解することにつながります。
原子核は原子全体の直径の約1万分の1程度と非常に小さいですが、原子の質量の大部分(99.9%以上)を占めています。原子のほとんどの空間は、事実上ほぼ空っぽに近い電子の活動領域です。
はい、最も一般的な水素原子(水素-1)は陽子1個と電子1個だけで中性子はありません。水素の同位体である重水素は中性子1個、三重水素は中性子2個を持ちます。