| English | 意味 |
|---|---|
| nucleus/ˈnjuːklɪəs/ | 原子核 |
| protons/ˈprəʊtɒnz/ | 陽子 |
| neutrons/ˈnjuːtrɒnz/ | 中性子 |
| nuclide/ˈnjuːklaɪd/ | 核種 |
| proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ | 陽子数 |
| nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ | 核子数 |
| nucleons/ˈnjuːklɪənz/ | 核子 |
| isotopes/ˈaɪsətəʊps/ | 同位体 |
| atomic mass unit/əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ | 原子質量単位 |
金箔への照射
- ラザフォードのチームは薄金箔に α粒子 を照射した。
- ほとんどはまっすぐ通り抜けたが、稀にほぼ真逆方向に跳ね返った。
- 「紙のようなもの（ティッシュペーパー）に砲弾を撃ち込んできたのに、それ自体が跳ね返ってきたかのように」
原子核モデルの実験
観測結果を原子の原子核モデルに対応させます。
散乱が示したこと
- 多くが通り抜ける → 原子は ほとんどが空洞 である。
- 稀に大きな偏折 → 電荷と質量を保持する 微小で高密度な正の核 がある。
多くのアルファ粒子はほぼまっすぐ通り抜け、わずかなものが微小な核によって鋭角に偏折する
金箔をほぼすべて直進したα粒子は、原子が具有以下哪一种特征を示していますか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
大部分が直進するということは、障害物が少ない＝原子はほとんど空洞であり、質量と電荷は極めて小さい原子核に集中していることを示します。
核モデル
- 核: 陽子（電荷 $+e$）と 中性子（電荷なし）。電子（$-e$）が周囲を取り巻いている。
- 原子は $\sim 10^{-10}\ \text{m}$ であり、核は $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ であるが、質量のほとんどを占めている。
- 中性原子では、電子 の数が陽子の数と同じである。
ヘリウム原子とリチウム原子の単純なモデル（スケール非表示）
原子の質量のほとんどは原子核にあります。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
陽子と中性子はそれぞれ約1 u、電子は約1/1836 uなので、原子核がほぼ全ての質量を保持しています。
表記法
- 核種は $^{A}_{Z}\text{X}$ と表される: $Z$ = 陽子数（元素を決定）、$A$ = 核子数。
- 中性子数 $N = A - Z$。陽子と中性子を合わせて 核子 という。
陽子と中性子を合わせて ____ と呼びます。
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核子数 $A$ は、原子核内の陽子と中性子の合計数を表します。
$^{14}_{6}\text{C}$ には中性子がいくつありますか？
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$N = A - Z = 14 - 6 = 8$ 個の中性子。
同位体
- 同位体 は 同じ 陽子数 $Z$ を持ち、異なる 中性子数を持つ。
- 例: $^{12}_{6}\text{C}$ と $^{14}_{6}\text{C}$ — 同じ元素だが質量が異なる。
核種表記: 上部に核子数、下部に陽子数
ある元素の同位体は：
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同じ $Z$ （＝同じ元素および化学的性質）だが、異なる $N$ により、異なる質量数 $A$ となります。
保存則
- いかなる核反応においても、核子数 $A$ と 電荷 は保存される。
- この2つの規則により、すべての崩壊方程式をバランスさせることができる：両辺で上部の数値の合計と、下部の数値の合計それぞれが等しくなければならない。
核反応において、常に保存される物理量はどれですか？
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核子数と電荷は保存されます。陽子数と中性子数はそれぞれ変化することがあります（例：β崩壊では中性子が陽子に変化）。
放出される粒子と、崩壊方程式における表記方法を対応させてください。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
上段数字は核子数、下段数字は電荷を表し、方程式全体でバランスする必要があります。
計算例：トリチウム
トリチウム $^{3}_{1}\text{H}$ は、β$^{-}$ 粒子を放出する水素の放射性同位体である。
- 中性原子内の粒子数: $Z = 1$ 個の陽子；$N = 3 - 1 = 2$ 個の中性子；$1$ 個の電子（陽子数と同じ）。
- 崩壊方程式: $^{3}_{1}\text{H} \to {}^{3}_{2}\text{He} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}$。確認：上部 $3 = 3 + 0$；下部 $1 = 2 + (-1)$。追加された粒子は 反ニュートリノ である。
- 核内のクォーク: 陽子は uud、中性子は udd なので、1個の陽子と2個の中性子には $2 + 1 + 1 = 4$ 個のアップクォークと $1 + 2 + 2 = 5$ 個のダウンクォークが含まれる。
- 電荷の確認: $4\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 5\left(-\tfrac{1}{3}\right) = \tfrac{8}{3} - \tfrac{5}{3} = +1$、単一の陽子の電荷である。
崩壊連鎖の計算例
ラジウム-228 の核 $^{228}_{88}\text{Ra}$ は、一連の段階を経て崩壊し、その過程で 5個 のα粒子と 4個 のβ$^{-}$ 粒子が放出される。最終的な核を特定せよ。
- 核子数: 各α粒子で $4$ 減少、各β$^{-}$ で変化なし: $A = 228 - 5 \times 4 = 208$。
- 陽子数: 各α粒子で $2$ 減少、各β$^{-}$ で 増加 $1$: $Z = 88 - 10 + 4 = 82$。
- 答え: $^{208}_{82}\text{Pb}$ — リード（鉛）。
- 確認: 崩壊の順序は関係なく、総量のみが重要である。電荷と核子数は各ステップごとに保存されるため、全体としても保存される。
陽子数 $92$ の原子核が、α粒子を3個、β⁻粒子を2個放出しました。最終的な原子核の陽子数はいくつですか？
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各α粒子は $Z$ を $2$ ずつ減らし、各β⁻粒子は $1$ ずつ増やすため: $92 - 6 + 2 = 88$ 。
中性原子は $Z$ 個の電子を持ちます — これは陽子数であり、決して $A$ ではありません。同位体は中子数のみが異なるため、化学的性質は同一です。崩壊方程式では両行をバランスさせます。β$^{-}$ は $^{0}_{-1}\beta$ と書かれるため、$A$ は変化せず、$Z$ は1つ増加します。「原子核は非常に小さい」とは約 $10^{-15}\ \text{m}$ という意味です — 原子より十万倍小さく、10倍ではありません。
原子質量単位
- 単位 $\text{u}$ は、$^{12}_{6}\text{C}$ の質量が 正確に $12\ \text{u}$ となるように設定されている。
- $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$; 陽子と中性子はそれぞれ約 $1\ \text{u}$、α粒子は約 $4\ \text{u}$ で電荷 $+2e$ 。
統一原子質量単位は、炭素-12の質量をちょうど12 uとするように定義されています。
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はい—この定義により $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ が確定します。
理解できましたか
- α散乱 → 原子は ほとんど空洞 で、微小で高密度な核 を持つ
- $^{A}_{Z}\text{X}$: $Z$ 個の陽子、$A$ 個の核子、$N = A - Z$ 個の中性子、中性状態では $Z$ 個の電子；同位体は $Z$ を共有する
- 核反応では 核子数 と 電荷 が保存される — 方程式の両方の行をバランスさせる