原子の構造

私たちが手で触れる硬い机やスマートフォンを極限まで拡大していくと、驚くべきことに中身が空っぽな広大な空間に出くわします。もしも原子を直径100メートルの巨大なサッカースタジアムのサイズまで拡大したとすると、その中心にある原子核は、グラウンドのど真ん中に置かれた小さな砂粒ひとつ分の大きさにすぎません。

原子核の周りを動く電子は、砂粒よりもはるかに小さく、目にも見えないホコリのチリのようなものです。砂粒とホコリの間にある広大な観客席の空間には、硬い粒が存在する部分はほとんどなく、電子が雲のように薄く広がっているだけです（詳しくは後述の「もう少し正確に言うと」をご覧ください）。もし地球上の全人類の体の中にある原子からすき間をすべて取り除き、原子核と電子だけをぎゅっと圧縮したとすれば、全人類の体積は角砂糖ひとつ分にまで縮んでしまうほどです。

つまり、私たちが硬いと感じる岩や私たち自身の体を含め、この世界のすべての物質は、実は99.99%以上が何もない空間でできています。それなのに私たちが壁をすり抜けられないのは、原子同士が極端に近づくと電子が同じ状態を共有できないという物理法則（パウリの排他原理）によってエネルギーが急上昇し、その結果として強い反発力が生じるためです。電子同士の電気的な反発力もここに加わっています。

極小の中心部である原子核の中には、プラス（＋）の電気を帯びた「陽子」と、電気をまったく帯びていない「中性子」が強く結びついています。一方、その周りを飛び回る電子はマイナス（−）の電気を帯びています。

磁石のN極とS極が引き合うように、プラスとマイナスの間には互いに引き合う電気的な力が働きます。この力のおかげで、非常に軽い電子が外へと逃げ出さず、原子核の周りに安定して引き留められ、バランスを保つことができるのです。

原子核の中に含まれる陽子の数が何個あるかによって、その原子が水素になるか、酸素になるか、それとも輝く金になるかが完全に分かれます。つまり陽子の数は、元素の性質と名前を決める原子固有のマイナンバー（識別番号）のようなものです。

通常の原子は陽子の数と電子の数が同じであるため、全体としては電気的に中性を保っています。しかし、電子を失ったり得たりすると電気のバランスが崩れ、「イオン」と呼ばれる特別な状態に姿を変えることもあります。

教科書や図鑑などでは、太陽の周りを回る惑星のように、電子が決まった円形の軌道を整然と回っている姿がよく描かれます。しかしもう少し正確に言うと、電子は線路の上を走る電車のように決まった軌道を大人しく走っているわけではありません。

電子は極小のミクロな世界を支配する「量子力学」の法則に従っているため、観測する前にはその位置が一点に定まっていません。その代わりに、「原子核の周辺のどの領域で電子が見つかる確率が高いか」を計算し、霧のように広がる確率として表すことしかできないのです。

そのため現代の物理学では、電子の存在を線のような軌道ではなく、ぼんやりとした雲の形で表現し、これを電子雲（オービタル）と呼びます。電子は決まったルートを周回する人工衛星ではなく、原子核の周りに確率の霧のように広がって存在しているのです。

そしてこの電子雲の中でも、最も外側にある電子たちが他の原子と手を取り合って化学反応を起こします。私たちが吸う空気や飲む水、生命活動に至るまで、世界のあらゆる化学結合の秘密は、まさにこの最外殻の電子たちの振る舞いに隠されているのです。