サブアトミック粒子と原子の構成要素

サブアトミック粒子 (subatomic particle)

サブアトミック粒子（subatomic particle）とは、原子よりも小さいサイズの粒子を指す。サブアトミック粒子には、より小さな単位の構成粒子からなる複合粒子もあれば、これ以上分解されないと考えられる基本粒子もある。 原子核工学では、特に以下の素粒子が重要に扱われる。

• ハドロン（hadron）
  • バリオン（baryon）
    • 核子（nucleon）
      • 陽子（proton）
      • 中性子（neutron）
• レプトン（lepton）
  • 電子（electron）
  • 陽電子（positron）
  • ニュートリノ（neutrino）

‘レプトン（lepton）’という名前は、小さく薄いという意味のギリシャ語‘λεπτός’に由来する。命名当時、他の種類の素粒子に比べて質量が小さいとされていたが、その後1970年代に発見されたタウオン（tauon）の場合、レプトンであるにもかかわらず質量が陽子、中性子の1.9倍に近い水準であるため、実際にはレプトンだからといって必ずしも軽いわけではない。

電子（electron）& 陽電子（positron）

• 静止質量：$m_e = 9.10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• 電荷量：$e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

電子には負電荷を持つ$e^-$（陰電子、negatron）と正電荷を持つ$e^+$（陽電子、positron）の2種類があり、この2つは電荷量の符号だけが異なり、他の性質は同じである。通常、特に言及がない場合、電子は陰電子を指す。

特定の条件下で陽電子と陰電子が衝突すると、これら2つの電子が消滅し、2つの光子が放出される。このプロセスを電子消滅（electron annihilation）と呼び、このとき発生する光子を消滅放射線（annihilation radiation）という。

画像出典

• 作者：Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• ライセンス：GFDLv1.2

陽子（proton）

• 静止質量：$m_p = 1.6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 電荷量：+ $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

電子と同じ大きさの正電荷を持つ。

中性子（neutron）

• 静止質量：$m_n = 1.674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 電荷量：$0$

陽子よりわずかに大きい質量を持ち、電気的に中性である。原子核の外では安定ではないため、電子と電子反ニュートリノを放出しながら崩壊して陽子になり、このプロセスは平均12分ほどかかる。

ニュートリノ（neutrino）

• 静止質量：非常に小さい（正確な値は不明）
• 電荷：$0$

元々は静止質量が0だと考えられていたが、1998年に日本のスーパーカミオカンデ研究チームによって、非常に小さいが質量を持つことが明らかになった。いくつかの種類があるが、核反応ではそのうち電子ニュートリノ（electron neutrino）と電子反ニュートリノ（electron anti-neutrino）が重要に考慮され、通常はこの2つを区別せず1種類として扱う。

原子と原子核の構造

\[^A_Z X \ (\text{A: 質量数, Z: 原子番号, X: 元素記号})\]

• 原子は電子雲と中心に位置する原子核で構成される
• イオン化されていない中性原子は、陽子と同じ数の電子が原子核の周りを回転する
• 電子は原子の化学的特性と元素の種類を決定する
• 原子核は核子である陽子と中性子で構成され、核子は強い核力（Nuclear Force）によって電気的反発に打ち勝って結合する
• 原子番号（atomic number）：原子核に含まれる陽子の数を意味し、$Z$で表示する
• 原子核の総電荷：+$Ze$
• 中性子数（neutron number）：原子核に含まれる中性子の数を意味し、$N$で表示する
• 質量数（atomic mass number）または核子数（nucleon number）：原子核の陽子数と中性子数の和。$A=Z+N.$
• 核種（nuclide）：特定の陽子数と中性子数を持つ原子核

同位体（isotope）、同重体（isobar）、同中性子体（isotone）、核異性体（isomer）

区分	定義
同位体（isotope）	原子番号が同じだが中性子数が異なる核種
同重体（isobar）	質量数が同じだが陽子数と中性子数が異なる核種
同中性子体（isotone）	中性子数が同じだが原子番号が異なる核種
核異性体（isomer）	同じ核種だが、1つ以上の核子の励起（excitation）により準安定状態にある原子核