原子についておしえて！

おしえて№839 投稿者　クレイマーさん

　原子について教えて下さい。例えば、水素の原子と酸素の原子って原子核の大きさは同じなんですか。もし同じなら電子の数を変えるだけで水素が酸素になったりするんですか。
中学や高校の化学の時間寝ていたもんで、何にも知らないんです。ああ恥ずかし。

浜ちゃん

陽子の数＝電子の数で、原子の種類（酸素とか水素とか)は、陽子の数で決まります。
原子は原子核の周りを電子が取り巻いている構造をしていて、原子核は陽子と中性子からできています。

陽子と中性子は同じぐらいの重さで、電子はこれらに比べてめちゃくちゃ軽いです。
なので、原子の重さは陽子＋中性子の数に比例します。（厳密には若干違うのですが)
この陽子＋中性子の数を原子量と呼びます。

中性子の数は原子の種類に影響しませんから、いくらでもバリエーションができそうに思えますが、安定しているのは陽子の数と中性子の数が近いあたりのものしかありません。
たとえば水素の原子核は陽子１つでできていますが、陽子＋中性子でできている重水素、陽子＋中性子２個からできている三重水素、というのもあります。こうした重さの違う同じ種類の原子を「同位体」といいます。（原子番号表でいうと同じ位置にあるので、同位です。英語だとアイソトープ)

ヘリウムの原子核は、陽子２個＋中性子２個でできているのですが、陽子２個＋中性子でできているものもあります（He3と呼ばれます。普通のはHe4)。
そうすると、He3と三重水素は、陽子＋中性子の数がどちらも３ですから、重さが同じです。こうした重さが同じで種類が違う原子を「同重体」といいます。（英語だとアイソバー)

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原子核を変えないと原子の種類は変わらないので、電子の数だけ変えるというわけにはいきません。
原子の種類が変わるのは
１)原子崩壊によるもの
　安定な原子よりも中性子の数が多い、あるいは少ないものは安定性がわるく、一定の割合で勝手に崩壊していきます。よく耳にするものだと炭素１４がありますね。これは普通の酸素（原子量１６)よりも２つ中性子が少ないものです。そして、ベータ崩壊（電子を放出して原子の種類が変わること)を起こして
窒素１４に変わります。遺跡などの年代測定に用いられるのでニュースなどでも耳にすると思います。
２)意図的に素粒子をぶつけるなどして
　原子核に、中性子、陽子、電子、陽電子などを勢いよくぶつけると、原子核がかわることがあります。
これには、大きな装置が必要で、簡単にちょっとやってみようというわけにはいきませんが。
　日本で最大の装置は、高エネルギー加速器研究機構(http://www.kek.jp/index-j.html)にあります。
装置の直径は１ｋｍほどあります。

アフロさん

同じじゃないです。電子と同じ数だけ陽子というものがあります。
電子はマイナスの電荷をもっているのに対し、陽子はプラスの電荷をもっており、電気的には原子1個で正負の釣り合いが取れています。
原子核は陽子のほかに中性子と中間子によってできていたと思います。中性子の数はどうやって決まるのか私は知りません。

matsumotoさん

大学レベル以上になると難しいので、中学・高校レベルでお答えします。
物質を構成する原子は、＋の電荷を持った陽子と電荷を持たない中性子が集まって原子核を構成し、その周囲を−の電荷を持った電子がまわっています。陽子と中性子はほぼ同じ重さ・大きさで、陽子と中性子の合計数が原子核の重さ・大きさを決定します。

原子核に含まれる陽子の数は元素によって決まっており、水素＝１、炭素＝６、酸素＝８といった具合です。
中性子の数は通常、水素＝０、炭素＝６、酸素＝８で、水素原子の重さを１とすると、炭素は１２、酸素は１６となります。

ただしまれに通常の原子に対して中性子の数異なる原子も存在し、化学的性質等は同じですが重さがことなります。これを同位体といいます。
電子の数は通常陽子の数と同じですが、科学反応等によって電子の数が増えたり減ったりします。通常より電子が多い状態を−イオン、電子が少ない状態を＋イオンといいます。

電子の数を変えただけでは元素の種類を変えることはできません。
元素の種類を変えるためには原子核中の陽子の数を変えなければなりません。
ウランやプルトニウムなどの大きい原子核を分解してより小さい原子に分ける（核分裂）や、水素などの軽い原子核を合体させてより大きい原子を作る（核融合）などの方法がありますが、莫大なエネルギー反応が必要であり簡単にはできません。

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