最終更新：2025年8月29日

原子内の電子はどのように配置されているのか？

電子殻：K、L、M、N、O、P、Q表記

起源と原理

原子核の周りの電子の配置を説明するために、物理学者は単純な歴史的表記法を使用します：電子殻K、L、M、N、O、P、Q。この表記法は、20世紀初頭に物理学者のチャールズ・バークラ（1877-1944）によってX線の研究中に導入されました。この表記法により、電子がエネルギーレベルの増加に従って、核に最も近い殻（K）から外側の殻までどのように分布するかを簡単に視覚化できます。

現代の表記法との対応

各文字は主量子数nに対応します：
K殻：n = 1（第一殻、核に最も近い）
L殻：n = 2（第二殻）
M殻：n = 3（第三殻）
N殻：n = 4（第四殻）
O殻：n = 5（第五殻）
P殻：n = 6（第六殻）
Q殻：n = 7（第七殻）

殻の最大容量

各殻は、2n²の公式で定義される最大電子数を収容できます：
K殻 (n=1)：最大2個の電子（2 × 1² = 2）
L殻 (n=2)：最大8個の電子（2 × 2² = 8）
M殻 (n=3)：最大18個の電子（2 × 3² = 18）
N殻 (n=4)：最大32個の電子（2 × 4² = 32）→ ウランが達成：K(2) L(8) M(18) N(32)
O殻 (n=5)：最大50個の電子（2 × 5² = 50）→ 達成されていない（ウランはO殻に21個の電子しか持たない）
P殻 (n=6)：最大72個の電子（2 × 6² = 72）→ 達成されていない
Q殻 (n=7)：最大98個の電子（2 × 7² = 98）→ 達成されていない

注：
実際には、既知の元素でNを超える殻が完全に満たされることはありません。最も重い天然元素であるウラン（Z=92）の電子配置はK(2) L(8) M(18) N(32) O(21) P(9) Q(2)です。最も重い確認済みの合成元素であるオガネソン（Z=118）の電子配置はK(2) L(8) M(18) N(32) O(32) P(18) Q(8)です。

殻の内部構造：副殻

各殻は、s、p、d、fの文字で指定される副殻に分かれています：
s副殻：最大2個の電子（1軌道）
p副殻：最大6個の電子（3軌道）
d副殻：最大10個の電子（5軌道）
f副殻：最大14個の電子（7軌道）

K殻 (n=1)：1sのみを含む（最大2個の電子）
L殻 (n=2)：2sと2pを含む（2 + 6 = 最大8個の電子）
M殻 (n=3)：3s、3p、3dを含む（2 + 6 + 10 = 最大18個の電子）
N殻 (n=4)：4s、4p、4d、4fを含む（2 + 6 + 10 + 14 = 最大32個の電子）
O殻 (n=5)：5s、5p、5d、5fを含む（2 + 6 + 10 + 14 = 理論上の最大32個の電子、ただし既知の元素には理論的な5g副殻は存在しない）
P殻 (n=6)：6s、6p、6d、6fを含む（2 + 6 + 10 + 14 = 既知の副殻の最大32個の電子）
Q殻 (n=7)：7s、7p、および潜在的に7dを含む（既知の元素では7sと7pの電子のみが観察される）

簡略化された表記 K(x) L(y) M(z) N(t)

この表記法は、各殻に存在する電子の総数を示し、副殻の詳細は示しません。原子の全体的な電子分布を迅速に視覚化するのに特に役立ちます。

元素の例

ヘリウム（2個の電子）：1s² → K(2)
K殻は完全で飽和しています。
ネオン（10個の電子）：1s² 2s² 2p⁶ → K(2) L(8)
K殻とL殻は完全で飽和しています。
ナトリウム（11個の電子）：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → K(2) L(8) M(1)
K殻とL殻は完全で、M殻には18個可能な電子のうち1個しか含まれていません。
アルゴン（18個の電子）：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ → K(2) L(8) M(8)
K殻とL殻は完全です。M殻には8個の電子が含まれていますが、完全ではありません（3sと3pの副殻は飽和していますが、3dは空のままです）。
カルシウム（20個の電子）：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² → K(2) L(8) M(8) N(2)
3dよりも先に4sの副殻が満たされるため、M殻は8個の電子のままです。
チタン（22個の電子）：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s² → K(2) L(8) M(10) N(2)
M殻は3d電子で満たされ始めます。

殻の充填順序

充填順序は、副殻のエネルギーレベルのために、K、L、M、N殻の順序に厳密には従いません。一般的な順序は次の通りです：
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d...

この原理は、例えばカリウム（19個の電子）がK(2) L(8) M(8) N(1)の配置を持つ理由を説明します：19番目の電子は3dではなく4sに入ります。なぜなら、4s副殻は3dよりもエネルギーが低いからです。

この表記法の重要性

K、L、M、N、O、P、Qの表記法により：
• 原子の全体的な電子構造を迅速に視覚化できる
• 最外殻（価電子殻）を簡単に識別できる
• 価電子に関連する化学的性質を理解できる
• 周期表における元素の分類を説明できる
• 元素の酸化状態と化学的反応性を予測できる

例：

臭素：K(2) L(8) M(18) N(7)の表記法は、臭素が最外殻に7個の電子を持つことを即座に示し、長い配置1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁵を解読する必要はありません。
鉄：同様に、鉄（Z = 26）の配置1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²はK(2) L(8) M(14) N(2)と要約され、3dに6個と4sに2個の8個の価電子が鉄の複数の酸化状態（+2と+3）を説明することが明確に示されます。
亜鉛：亜鉛（Z = 30）の配置1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s²は単純にK(2) L(8) M(18) N(2)となり、3d副殻が完全であり、反応に参加するのは4sの2個の電子のみであることが即座に明らかになり、そのため亜鉛の酸化状態は+2のみです。

元素の電子構造と化学的親和性

元素の化学反応性は、その電子構造、特に最外殻電子の配置に由来します。最外殻、または価電子殻は、元素が化学結合を形成する能力を決定します：原子は、通常、最も近い希ガスの電子配置を達成するために、電子を得たり、失ったり、共有したりします。

この傾向は、観察される化学的親和性を説明します：アルカリ金属は、1つの価電子を容易に放出してカチオンを形成します；ハロゲンは、最外殻を完成させるために1つの電子が不足しており、電子を求めてアニオンを形成します；一方、希ガスは価電子殻が完全であるため、化学的に不活性です。これらの極端の間に、遷移元素と半金属は中間的な挙動を示し、条件に応じてさまざまな種類の結合を形成します。

これらの構造-性質関係の理解は、現代化学の基礎をなし、化学反応における元素の挙動を予測することを可能にします。