原子力発電の基礎: 軌道電子

原子力発電の基礎: 軌道電子

物質の構成要素

私たちの身の回りにある、空気や水、そして私たち自身も全て物質でできています。この物質をどんどん細かくしていくと、物質を構成する最小単位である原子にたどり着きます。原子はあまりにも小さいため、私たちの目では見ることができません。原子の中心には、原子核と呼ばれる小さな芯が存在します。原子核はプラスの電気を帯びており、その周りをマイナスの電気を帯びたさらに小さな粒子が、まるで太陽の周りを惑星が回るように回転しています。
原子力発電は、この原子核に秘められた莫大なエネルギーを利用する発電方法です。ウランなどの特定の種類の原子核は、核分裂と呼ばれる反応を起こす性質を持っています。核分裂とは、原子核が二つ以上の原子核に分裂する現象です。このとき、膨大なエネルギーが熱として放出されます。原子力発電所では、この熱を利用して水を沸騰させ、蒸気を発生させます。そして、その蒸気の力でタービンと呼ばれる羽根車を回し、電気を作り出しているのです。

原子核と電子

物質を構成する小さな粒である原子は、中心にある原子核と、その周囲を回る電子から成り立っています。
原子核はさらに小さな陽子と中性子という粒子で構成されており、陽子は正の電荷を帯びている一方、中性子は電荷を持ちません。原子核は原子全体と比べると極めて小さいですが、質量は原子の大部分を占めています。
一方、原子核の周りを飛び回っているのが電子です。電子は負の電荷を持っており、原子核の正の電荷に引き寄せられることで、原子核の周囲に留まっています。電子は原子核に比べて非常に小さく、質量も極めて小さい粒子です。しかし、電子の存在は原子の化学的な性質を決める上で重要な役割を果たしています。
例えば、原子が他の原子と結合して分子を作る場合、電子が重要な役割を果たします。また、物質の色や電気伝導性なども、電子の振る舞いによって決まります。このように、小さく目立たない電子ですが、物質の性質を決定づける重要な役割を担っているのです。

軌道電子の役割

物質を構成する最小単位である原子は、中心にある原子核とその周りを回る電子から成り立っています。これらの電子のうち、原子核の周りを特定のエネルギーを持った軌道を描いて運動しているものを軌道電子と呼びます。

軌道電子は、原子核の周りをランダムに飛び回っているのではなく、決まったエネルギー値を持つ軌道上を運動しています。このエネルギー値は階段のように段階的な値をとり、低い方からK殻、L殻、M殻、N殻…と呼ばれています。それぞれの殻には電子を収容できる最大数が決まっており、例えば最も内側のK殻には最大2個、その外側であるL殻には最大8個の電子が存在できます。

軌道電子は、原子が他の原子と結びついて分子を作る際に重要な役割を果たします。原子同士が結合して分子を形成する際には、軌道電子が共有されたり、一方の原子からもう一方の原子へ移動したりします。このように、軌道電子の振る舞いは化学結合や化学反応に大きく影響を与えます。

さらに、軌道電子の状態は物質の性質や反応性を決定づける要因となります。例えば、物質の色や電気伝導性、融点や沸点などは、軌道電子のエネルギー状態や配置によって変化します。

このように、軌道電子は原子を理解する上で欠かせない要素であり、物質の性質や反応性を決定する上で重要な役割を担っています。

軌道電子の数と原子番号

物質を構成する最小単位である原子は、中心にある原子核と、その周りを飛び回る電子から成り立っています。原子核はさらに陽子と中性子で構成されていますが、原子を特徴づける上で特に重要なのが陽子の数です。なぜなら、原子の中心にある陽子の数が、その原子の化学的な性質を決定づけるからです。
原子核の周りを回る電子の数は、この陽子の数と常に等しくなります。これは、陽子の持つプラスの電荷と、電子の持つマイナスの電荷が互いに引き合い、バランスを保っているためです。この陽子の数を原子番号と呼びます。原子番号は、元素の種類を特定する重要な指標であり、周期表では原子番号の順に元素が並んでいます。
例えば、水素は原子番号が1なので、水素原子は1つの陽子と1つの電子を持ちます。一方、ヘリウムは原子番号が2なので、2つの陽子と2つの電子を持ちます。このように、原子番号は原子の構造を理解する上で基礎となるだけでなく、それぞれの原子が持つ化学的な性質の違いを理解するのにも役立ちます。

軌道電子のエネルギーと原子力

原子力発電は、ウランのような重い原子核が中性子を吸収して二つ以上の原子核に分裂する、核分裂と呼ばれる現象を利用した発電方法です。物質を構成する原子の中心には原子核があり、その周りを電子が異なるエネルギー準位を持つ軌道上を運動しています。この軌道電子のエネルギーは原子核の周りを回る速さと関連しており、原子核の種類によって異なります。
原子核が中性子を吸収すると、不安定な状態になり、分裂を起こします。この核分裂の過程で、莫大なエネルギーが熱と光として放出されます。これは、分裂前のウラン原子核と分裂後の原子核を合わせた質量が、分裂前のウラン原子核の質量よりもわずかに小さいことに起因します。この質量の差が、アインシュタインの有名な式「E=mc²」に従ってエネルギーに変換されるのです。
さらに、核分裂の際に新たな中性子が放出されます。この中性子が他のウラン原子核に吸収されると、再び核分裂が起こり、連鎖的に反応が進んでいきます。原子力発電所では、この核分裂反応の連鎖を制御することによって、安全かつ持続的に熱エネルギーを取り出し、発電に利用しています。