メジャー向け生物学 I

元素がどのように組み合わされるかを理解するには、まず元素の最小構成要素または構成単位である原子を論じる必要があります。 原子は、元素の化学的性質のすべてを保持している物質の最小単位です。 例えば、金の原子1個は、室温で固体であるという金の性質をすべて持っている。 金貨は、非常に多くの金原子がコインの形に成形され、不純物と呼ばれる他の元素を少量含んでいるに過ぎません。 図1に示すように、原子は、原子の中心にあり陽子と中性子を含む原子核と、原子核の周りを周回する電子を保持する一番外側の領域の2つから構成されています。 原子の中には、陽子、電子、中性子などの素粒子が含まれている。 例外は水素（H）で、陽子1個と電子1個からなり、中性子はない。

陽子と中性子はほぼ同じ質量で、約1.67×10-24グラムである。 科学者は任意にこの質量を1原子質量単位（amu）または1ダルトンとして定義し、表1に示す。 質量は似ていますが、陽子と中性子では電荷が異なります。 陽子は正の電荷を帯びているが、中性子は電荷を帯びていない。 したがって、原子中の中性子の数は、その質量に大きく寄与するが、電荷には寄与しない。 電子は陽子よりはるかに質量が小さく、9.11×10-28グラム、つまり原子質量単位の約1/1800しかない。 したがって、電子は元素全体の原子質量にあまり寄与しない。 したがって、原子の質量を考える場合、電子の質量を無視し、陽子と中性子の数だけで原子の質量を計算するのが通例である。 電子は質量にはあまり寄与しないが、電子は陽子の正の電荷と等しい負の電荷を持っているので、原子の電荷には大きく寄与する。 電荷を持たない中性原子では、原子核の周りを回る電子の数は原子核内の陽子の数と等しくなる。 陽子、中性子、電子の大きさを考慮すると、原子の体積の大部分（99％以上）は実際には空っぽの空間である。 このように何もない空間があるのに、なぜ固体と呼ばれるものは互いに通り抜けないのだろうと思うかもしれない。 その理由は、すべての原子を取り囲んでいる電子が負に帯電しており、負電荷は互いに反発しあうからである

電荷

原子番号と質量

それぞれの元素の原子には特有の数の陽子と電子が含まれます。 陽子の数によって元素の原子番号が決まり、ある元素と他の元素を区別するのに使われます。 中性子の数は可変であり、その結果、中性子の数だけが異なる同じ原子の異なる形態である同位体が存在します。 図2に示すように、陽子の数と中性子の数の組み合わせで、元素の質量数が決まります。 なお、質量数の計算では、電子からのわずかな質量の寄与は無視される。 この質量近似を利用して、質量数から陽子の数を引くだけで、その元素が何個の中性子を持つかを簡単に計算することができます。 元素の同位体はわずかに異なる質量数を持つので、科学者は原子量も決定します。これは、天然に存在する同位体の質量数の計算平均値です。 多くの場合、計算結果の数値には分数が含まれます。 例えば、塩素（Cl）の原子質量は35.45です。これは塩素がいくつかの同位体で構成されており、原子質量35（陽子17個、中性子18個）のものと原子質量37（陽子17個、中性子20個）のものがある（大部分）ためです。 その原子質量は12.11です。

図2. 炭素12と炭素13

炭素12と炭素13はそれぞれ何個の中性子をもっているか