【図解】原子・原子核の大きさはどのくらい? 身近なものと比較 | 図解ブースター
アフィリエイト広告を利用しています

【図解】原子・原子核の大きさはどのくらい? 身近なものと比較

earth_02

こんにちは、化学系の大学院を卒業し、香料業界で10年以上働いているピンフです。

原子(げんし)や原子核(げんしかく)の大きさはどのくらいでしょうか?

炭素原子は0.15nm(ナノメートル)、ヘリウム原子核は3.8 x 10^-15 m(10のマイナス15乗メートル)です。

ピンフ
ピンフ

とても小さそうな感じなのですが、私は数字で言われてもイメージできないです。

ゴルフボールや地球と比較しながら、大きさをイメージしてみましょう。

比較 炭素原子 ゴルフボール 地球

炭素原子(元素記号:C)はとても小さいので、目に見えるゴルフボールに拡大してみましょう。炭素原子をゴルフボールに拡大するには約2.9億倍する必要があります。この約2.9億倍は、ゴルフボールが地球に拡大するのとほぼ同じ倍率(約3.0億倍)です。

炭素原子(元素記号:C)をゴルフボールに拡大することゴルフボールを地球に拡大すること同じ倍率です。

ピンフ
ピンフ

原子の世界はとても小さい世界です。

参考までに計算式を示します。(読み飛ばしてOKです)

①ゴルフボールが炭素原子の何倍の大きさかの計算

まずは、炭素原子とゴルフボールの直径を調べます

炭素原子の直径:1.5 Å(オングストローム)
1.5 Å = 0.15 nm
    = 0.15 x 10^-9 m
    = 0.00000015 mm

ゴルフボールの直径:43 mm

ゴルフボールが炭素原子の何倍なのかは以下の式で求められます

(倍率)=(ゴルフボールの直径[mm])/(炭素原子の直径[mm])
    = 43 / 0.00000015
    = 286,666,666.7

よって、約2.9憶倍

②地球がゴルフボールの何倍の大きさかの計算
ゴルフボールの直径:43 mm

地球の直径:12,742 km
12,742 km = 12,742,000,000 mm

地球がゴルフボールの何倍なのかは以下の式で求められます

(倍率)=(地球の直径[mm])/(ゴルフボールの直径[mm])
    = 12,742,000,000 / 43
    = 296,325,581.4

よって、約3.0億倍

さらに小さい世界の原子の中について見てみましょう。

原子の構造 陽子(ようし)・中性子(ちゅうせいし)・電子(でんし)

原子は原子核と電子で構成されています。さらに、原子核はプラス(+)電荷を帯びた陽子(ようし)と電荷を持たない中性子で構成されています。電子はマイナス(-)電荷を帯び、原子核のまわりに存在しています。

ピンフ
ピンフ

この小さい世界に詳しくなるには、量子力学(りょうしりきがく)を知る必要があります。私は頭がショートした分野です。。。

原子の中央にプラスの電気のかたまりがあると発見した実験については以下で解説しています。

原子核の大きさのイメージを見てみましょう。

原子核の大きさ

ヘリウム原子の場合、原子核を1円玉に拡大させると、原子の直径は東京ドームの周囲と同じです。

以下の写真を見ながらイメージしてみましょう。

1円玉サイズの原子核が、野球グラウンドの真ん中にあり、観客席の外側までが原子の大きさのイメージです。

もしくは、1円玉を中心に半径100mの球の大きさ原子の大きさです。サッカーコートのタッチライン(ゴールからゴールまで)が約100mです。

soccer field
ピンフ
ピンフ

原子も小さいですが、原子核はもっと小さい世界です。

参考までに計算式を示します。(読み飛ばしてOKです)

①ヘリウム(He)
ヘリウム (He)原子核の直径
3.8 x 10^-15 m = 0.000000000038 mm
(陽子の直径を1.75 x 10^-15 mとし、陽子が2つあるので2倍とします)

ヘリウム原子の半径
0.31 Å = 31 pm
   = 0.031 nm
   = 0.031×10^-9 m
   = 0.31×10^-10 m

ヘリウム原子の直径
0.62 x 10^-10 m

ヘリウム原子はヘリウム原子核の何倍なのかは以下の式で求められます

(ヘリウム原子の直径[m]) / (ヘリウム原子核の直径[m])
= 0.62 x 10^-10 / 3.8 x 10^-15
= 16,315.8

②東京ドーム
東京ドーム(建物のみ)直径:210 m

ヘリウム原子はヘリウム原子核の16,315.8倍なので、東京ドームをヘリウム原子と置き換えると、ヘリウム原子核の大きさは以下の式で求められます

210 / 16,315.8 = 0.013 m
        = 13 mm
→原子の大きさを東京ドームとすると、原子核は1円玉程度の大きさです

別の計算方法として、比で考えると以下の式で求められます

(He原子の直径[m]):(He原子核の直径[m])=(東京ドームの直径[m]):X[m]
(0.62 x 10^-10):(3.8 x 10^-15) = 210:X
X = 0.013 [m]

まとめ

  • 炭素原子をゴルフボールに拡大する倍率=ゴルフボールを地球に拡大する倍率
  • 原子=原子核(陽子+中性子)+電子
  • 原子核を1円玉に拡大させると、原子の直径は東京ドームの大きさ

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 が付いている欄は必須項目です

CAPTCHA



The reCAPTCHA verification period has expired. Please reload the page.