| １，原子 | 構造 周期律表 電子軌道 |
| ２，素粒子 | ハドロン レプトン ゲージ粒子 |
「クォークとレプトン」「４つの力」「反粒子」については続編の素粒子２(18KB)をご覧ください。
原子を構成しているのは、以下の３つの粒子です。
陽子 中性子 電子
陽子は＋ｅの電荷を、電子は−ｅの電荷をもっています。中性子は電荷がありません。
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原子は、原子核と、電子で構成されています。(左図)
電子は、原子核のまわりを回っています。
原子核は、陽子と中性子で構成されています。中性子は陽子同士をくっつける働きが
あるといわれ、だいたい陽子より中性子の数が同じか多くなっています。
（ただし、水素原子核は陽子１個に対して中性子はありませんが）
この原子というのは、単独で存在していると不安定なことが多いです。
そこで原子同士が複数個つながって、お互いの電子を共有すると
安定になります。このように、原子が複数個つながったものを分子といいます。(右図)
化学では、元素Ｘを
nmＸ
これは、質量数ｍ,陽子の数がｎで、中性子の数はｍ−ｎで表せます。
陽子と中性子の数が同じものが多いです。
以下が周期律表です。
| １ | ２ | ３ | ４ | ５ | ６ | ７ | ８ |
| 11Ｈ | 24Ｈｅ | ||||||
| 36Ｌｉ | 49Ｂｅ | 511Ｂ | 612Ｃ | 714Ｎ | 816Ｏ | 919Ｆ | 1020Ｎｅ |
| 1123Ｎａ | 1224Ｍｇ | 1327Ａｌ | 1428Ｓｉ | 1531Ｐ | 1632Ｓ | 1735Ｃｌ | 1840Ａｒ |
| 1939Ｋ | 2040Ｃａ | ||||||
実は、「同位体」といって、中性子の数だけが違うものがあります。
ここでは、数の多い方を表しています。
通常、原子核の周りには電子があります。
これは、内側からＫ殻,Ｌ殻,Ｍ殻・・・というように
Ｋから始まるアルファベット順になっています。
Ｋ，Ｌ，Ｍ殻にはそれぞれ２，８，８個(ｄ軌道を含めると１８個)の電子が入ります。
また、電子のとる軌道があり、ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道・・といったものがあります。
Ｋ殻にあって、ｓ軌道をとっている電子を「１ｓ軌道」といったりもします。
上のイラストは模式的に平面に描いたものです。実際はｓ軌道は球状に
ｐ軌道は８の字軌道をとります。
電子の軌道は２つの電子が対になり、パウリの排他原理よりスピンは
互いに反転する必要があります。そのため球状のｓ軌道は１組しかとれません。
また、ｐ軌道は「８の字軌道」がｘ，ｙ，ｚ方向にとれるので３組存在します。
一般に軌道と組の数は
ａn＝２ｎ＋１
という関係があります。ｓ軌道がｎ＝１、ｐ軌道がｎ＝２、ｄ軌道がｎ＝３に対応します。
| 殻 | 軌道 | 電子の数 | 合計 |
| Ｋ殻 | １ｓ軌道 | ２個 | ２個 |
| Ｌ殻 | ２ｓ軌道 | ２個 | ８個 |
| ２ｐ軌道 | ６個 | ||
| Ｍ殻 | ３ｓ軌道 | ２個 | １８個 |
| ３ｐ軌道 | ６個 | ||
| ３ｄ軌道 | １０個 |
また、ｓ軌道とｐ軌道が混成してｓｐ軌道というものを作りこともあります。
素粒子は、約２００種類以上が確認されています。実は、陽子、中性子、電子も素粒子の１つです。
素粒子はほかにも光子、重力子、ニュートリノなど
力も素粒子が関係しているということがわかりました。
素粒子は以下の分類ができます。
| 素粒子 | ゲージ粒子 | 自然界の力の元 | 光子 重力子 グルーオン etc |
| レプトン | 電子の仲間 | ニュートリノ 電子 etc 大きさがない | |
| ハドロン | 大多数の粒子 | 中性子 陽子 など多数 大きさがある |
ニュートリノは核反応を起こしたときによく発生します。
太陽や銀河系からも多数のニュートリノが発生します。特に超新星爆発のときは
おびただしいニュートリノが発生します。（これをニュートリノシャワーといいます）
ニュートリノは地球を１０００億個並べても通過してしまうほど反応性がありません。
つい最近、ニュートリノにも質量があることがわかりました。
中間子は陽子の間を行き来することによって互いの陽子をくっつける働きがあります。
これは、湯川博士が提唱したものです。
レプトンは大きさがないので「究極の粒子」ということができます。
それに対してハドロンは、陽子が１０-15[m]程度の大きさを持っているので
さらに内部構造があることが予想されます。(これが後述するクォークで説明されます)
ハドロンは、内部構造があって、クォーク（Ｑｕａｒｋ）とグルーオンで構成されています。
図のように、クォーク同士はグルーオンによってつながっています。
たとえば陽子はアップクォーク２個とダインクォーク１個で構成されています。そのため
２ ＋ ２ − １ ＝＋１ ３ ３ ３
で、正の＋１価の電荷を持つことがわかります。
ちなみに中性子はダウンクォーク２つにアップクォーク１つです。
クォークには反クォークというものがあります。
反クォークの有無によってハドロンを次のように分類できます。
| 内容 | 例 | ||
| ハドロン | 重量子(バリオン) | クォークが３つ | 陽子 中性子 |
| 中間子 | クォーク＋反クォーク | π粒子 |
クォークには６種類あります。
| 名称 | 電荷 | 種類 |
| アップクォーク | ２ｅ／３ | ｕ ｕ ｕ |
| ダウンクォーク | −ｅ／３ | ｄ ｄ ｄ |
| チャームクォーク | ２ｅ／３ | ｃ ｃ ｃ |
| ストレンジクォーク | −ｅ／３ | ｓ ｓ ｓ |
| トップクォーク | ２ｅ／３ | ｔ ｔ ｔ |
| ボトムクォーク | −ｅ／３ | ｂ ｂ ｂ |
色が３色ありますが、例えば同じトップクォークでも
３種類あります。そこで、便宜的に色を付けました。
赤・緑・青 の３色です。
なぜ、色を付けたかというと素粒子の中には同じ種類のクォークを３つ持つものが現れました。
クォークはフェルミ粒子なので同じものは
同じ状態に入れないというパウリの排他原理に反しています。
そこで、色を付けて区別しました。
「強い力」を生み出しているグルーオンはこのカラー荷に結びつくといわれているので
クォークのみに強い力が働くことが説明できます。
反クォークというものも存在します。（これは反粒子のことです）
これは、反赤・反緑・反青 と表現します。
レプトンは電子などの仲間で大きさのない点状粒子です。
レプトンには次の６種類があります。
| 名称 | 電荷 |
| 電子 | −ｅ |
| μ粒子 | −ｅ |
| τ粒子 | −ｅ |
| 電子ニュートリノ | ０ |
| μニュートリノ | ０ |
| τニュートリノ | ０ |
ここで、レプトンは電子、μ粒子、τ粒子というグループと
ニュートリノのグループに分けることができます。
そして、電子と電子ニュートリノ、μ粒子とμニュートリノ、τ粒子とτニュートリノは
互いに対になっていて素粒子反応に関係しています。
たとえばπ中間子の崩壊の場合
π+ → μ+ ＋ νμ
ただし νμ・・・μニュートリノ μ+・・・反μ粒子
このように素粒子反応では互いに密接な関係があり、今の例でも
μ粒子ができた際にμニュートリノも発生しました。
レプトンにはクォークのときと同じように反粒子というものがあります。
電子の反粒子は「陽電子」、μ粒子は「反μ粒子」といった具合です。
自然界には４つの力があります。
この力の根元は４つのゲージ粒子にあるといわれています。
| 力 | 強さ[N] | 影響範囲[m] | ゲージ粒子 |
| 重力 | １０-40 | 無限大 | グラビトン（重力子） |
| 電磁気力 | １０-2 | 無限大 | フォトン（光子） |
| 強い力 | １０0 | １０-15 | グルーオン |
| 弱い力 | １０-5 | １０-18 | ウィークボゾン（Ｗ±,Ｚ0） |
日常目にすることができるのは重力と電磁気力です。
しかし原子核の陽子、中性子の内部まで調べるとそのほかにも
「強い力」と「弱い力」というものがあります。
「強い力」はクオーク同士を結びつける力で非常に強いものです。
力の働く方向は１次元で、ある距離を超えると突然力が働かなくなるので
ゴムひものような性質があります。
弱い力は原子核崩壊に関わるもので、ニュートリノを発生させたりします。
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