原子の構造

サッカー場の真ん中に置かれた一粒の砂

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、驚いたことに中身がスカスカの広大な空間に出くわします。原子を直径100メートルの巨大なサッカースタジアムの大きさに拡大したとすると、その中心にある原子核はグラウンドの真ん中に置かれた小さな砂粒1つ分の大きさにすぎません。

原子核のまわりを動く電子は、砂粒よりもさらに小さく、目に見えないチリのようなものです。砂粒とチリの間にある広大な観覧席のスペースには、何一つ詰まっていません。もし地球上の全人類の体内にある原子からこのすき間をすべて取り除き、原子核と電子だけをギュッと圧縮したとすると、全人類を合わせても角砂糖1個分の大きさになってしまうほどです。

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、世の中のすべての物質は実は99.99%以上が空っぽの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、空間の外側を取り囲む電子同士が強い力で反発し合っているからです。

プラスとマイナスが生み出すバランス

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、その周囲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引き合う電気の力が働きます。この力のおかげで、非常に軽い電子が外へ逃げ出すことなく原子核のまわりにしっかりと引き留められ、安定したバランスを保つことができます。

原子核の中にあ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のか、酸素になるのか、それとも輝く金になるのかが完全に決まります。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（背番号）のようなものです。

普通の原子は陽子の数と電子の数が同じなので、全体としては電気的に中性（ゼロ）を保っています。しかし、電子を失ったり受け取ったりすると電気のバランスが崩れ、「イオン」という特別な状態に変化することもあります。

もう少し正確に言うと

教科書や図鑑などでは、太陽のまわりを回る惑星のように、電子が決まった円形の軌道を回っているイラストをよく見かけます。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コースをおとなしく走っているわけではありません。

電子はあまりにも小さく高速で動くため、ある瞬間に正確にどこにあるのかを特定することができません。その代わり、「原子核の周囲のどのあたりに電子が存在する確率が高いか」を計算して、霧のようにぼんやりと表すことしかできないのです。

そのため現代物理学では、電子の位置を点線の軌道ではなく、もやがかかった雲のような形で表現し、これを電子雲（オービタル / 軌道）と呼びます。電子は決まったレールを周回する衛星ではなく、原子核のまわりに確率の霧のように広がって存在しているのです。

この電子雲の中でも最も外側にある電子たちが、ほかの原子と手を結ぶことで化学反応を引き起こします。私たちが吸う空気や飲む水、生命現象に至るまで、世の中のすべての化学結合の秘密は、まさにこの最外殻の電子たちの動きに隠されているのです。