Biophysics · 12.01

原子核の構造

Structure of atomic nucleus

🧠 原子核は陽子と中性子からなる微小な量子系で、核種は陽子数 $Z$ ・中性子数 $N$ ・質量数 $A$ によって一意に表される。

核種の表記

原子核を構成する陽子と中性子を合わせて核子という。元素記号element symbol元素記号（element symbol）element symbol（元素記号） $X$ を用いると、

{}^{A}_{Z}X,\qquad A=Z+N

と表す。 $Z$ は元素element元素（element）element（元素）を決め、 $N$ が異なる同じ元素element元素（element）element（元素）が同位体isotope同位体（isotope）isotope（同位体）である。電子配置electron configuration電子配置（electron configuration）electron configuration（電子配置）を扱うボーアBohrボーア（Bohr）Bohr（ボーア）の原子模型Bohr model原子模型（Bohr model）Bohr model（原子模型）とは空間尺度も支配する相互作用も異なる。

核力とクーロン反発

正電荷をもつ陽子同士は反発するが、ごく短距離では強い核力が核子間に働き、原子核を結合する。核力は短距離で飽和するのに対し、クーロン反発Coulomb repulsionクーロン反発（Coulomb repulsion）Coulomb repulsion（クーロン反発）は陽子数の増加とともに大きくなるため、重い核ほど多くの中性子を必要とする。

質量欠損と結合エネルギー

結合した原子核の質量は自由な核子の質量和より小さい。この質量欠損 $\Delta m$ は、

E_b=\Delta m c^2

という結合エネルギーに対応する。核子あたり結合エネルギーは核安定性を比べる重要な尺度である。

まとめ

核種は $Z$ 、 $N$ 、 $A=Z+N$ で表す。
短距離核力が核子を結合し、陽子間のクーロン反発Coulomb repulsionクーロン反発（Coulomb repulsion）Coulomb repulsion（クーロン反発）と競合する。
質量欠損は結合エネルギーに対応し、核の安定性を反映する。