原子・陽子・中性子の違いとは？―人工の金から学ぶ同位体と放射性崩壊

原子の中心には、陽子と中性子からなる原子核がある。陽子の数が元素の種類を決め、中性子の数が違うものを同位体という。同じ金でも原子核の組合せによって安定性が異なる理由と、人工金に混ざる放射性物質の問題を、予備知識なしでもわかるように解説する。

原子は「物質をつくる小さな単位」、陽子と中性子は「その原子の中心をつくる粒」です。 この関係から考えると、「同じ金なのに、安定した金と不安定な金がある」という話も理解しやすくなります。

① 原子・陽子・中性子の違い

金の指輪も、水も、私たちの体も、非常に小さな「原子」からできています。

原子の中心には「原子核」があり、その周囲に「電子」が存在します。さらに、原子核は「陽子」と「中性子」からできています。

大きさのイメージでは、原子全体を大きな競技場とすると、原子核はその中心に置いた小さな粒ほどです。それでも、原子の重さのほとんどは原子核に集中しています。

② 「何の元素か」を決めるのは、陽子の数

原子核に含まれる陽子の数によって、その原子が金なのか、水銀なのか、鉛なのかが決まります。

つまり、陽子の数は、元素の種類を決める番号です。

金を溶かして液体にしても、薄く延ばして金箔にしても、原子核の陽子は79個のままです。そのため金であり続けます。

一方、原子核の陽子の数が変わると、別の元素になります。水銀から金を作るには、この原子核の内部を変える必要があります。

③ 同じ金でも、中性子の数は違うことがある

陽子が79個なら金ですが、中性子の数まで必ず同じとは限りません。

種類	陽子	中性子	合計
金197	79個	118個	197個
金198	79個	119個	198個

「金197」の197は、陽子と中性子の合計数です。

このように、**陽子の数は同じで、中性子の数が違うものが「同位体」**です。どちらも金ですが、原子核の性質が異なります。

ここで重要なのは、中性子は多いほど安定するわけでも、少ないほど安定するわけでもないという点です。陽子と中性子の組合せによって、安定性が変わります。

④ なぜ、組合せによって不安定になるのか

原子核の中では、主に二つの作用がせめぎ合っています。

中性子は電気的な反発を増やさずに、原子核を結び付ける働きに参加します。ただし、中性子が多すぎても少なすぎても、原子核の内部の状態によっては不安定になります。

たとえるなら、**原子核は、決まった人数と組合せで組む「組体操」**のようなものです。人を追加すれば必ず丈夫になるわけではなく、全体の組合せが大切です。

実際の原子核は人や積み木とは違いますが、「粒の数だけでなく、組合せが安定性を左右する」というイメージです。

⑤ 放射性崩壊とは、「原子核が自然に変化すること」

不安定な原子核は、粒子や電磁波を放出するなどして、よりエネルギーの低い状態へ変化することがあります。これが放射性崩壊です。

坂の途中にあるボールが、低い場所へ転がる様子を思い浮かべてください。原子核も、変化できる道があれば、余分なエネルギーを外へ出して、より落ち着いた状態へ移ります。

このとき放出される粒子や電磁波が「放射線」です。

なお、崩壊すれば必ず別の元素になるわけではありません。 陽子の数が変われば別の元素になりますが、エネルギーを放出しても陽子の数が変わらない場合は、同じ元素のままです。

⑥ マラソン社の金では、何が問題になるのか

マラソン社が目指すのは、水銀を経由して安定した金197を作ることです。

しかし、材料に含まれる別の同位体や、目的以外の核反応によって、放射性の物質も一緒にできる可能性があります。

身近なたとえでは、収穫した米の大部分は食べられても、取り除く必要のあるものが混ざっている状態に近いと考えてください。金197自体が不安定なのではなく、生成物全体として、そのまま利用できるかが問題なのです。

特に、安定した金と放射性の金は、どちらも同じ「金」なので、普通の化学的な精製では分けにくいという難しさがあります。そのため、生成する種類や量を抑える工夫や、放射能が十分に低くなるまでの保管が必要になります。

安定した金197は金のまま残ります。「人工の金がすべて消える」のではなく、「一緒にできた不安定な原子核への対処が必要」ということです。