ボーアモデル（原子模型）の図ジェネレーター
原子番号1〜20の元素、イオン、同位体のボーアモデルを、原子核の陽子と中性子の数、2・8・8の電子殻とともに描き、ボーア・ラザフォード図も作れます。中学・高校の理科向けです。
ボーアモデルの例
ラベル付きのマグネシウム、かんたんな炭素、H・Li・Naの比較、穴埋め版の4つのボーアモデルです。いずれも添えたプロンプトから実際に生成した図で、クリックで読み込んで編集できます。
ナトリウムのボーアモデルと、どの元素にも使える描き方
ここに載せたラベル付きの図はナトリウム23の原子です。水素からカルシウムまで、どの元素も同じ4つの手順で描け、変わるのは数だけです。
- 1
原子核の粒子を数える
原子番号11から陽子は11個、質量数23 − 11 から中性子は12個です。
- 2
1番目の電子殻に2個
中性の原子は陽子と同じ数の電子をもち、ここでは11個です。いちばん内側の殻には上限の2個が入ります。
- 3
2番目の殻に8個
次の8個を2番目の円に均等に並べると、この殻はいっぱいになります。
- 4
残りを外側の殻に
3番目の殻には1個が残ります。これがナトリウムのただ1つの価電子で、これを失うとNa⁺になります。
元素別のボーアモデル：水素からカルシウム、イオン、同位体、スペクトルまで
ボーアモデルが元素ごとに変わるのは、電子殻の数、いちばん外側の殻の埋まり方、原子核の中身です。カルシウムまでの全元素は下の表にあります。ここでは描き方が変わるグループごとにまとめました。
水素とヘリウムのボーアモデル
第1周期で、電子殻は1つだけです。水素1：陽子1個、中性子0個、電子1個。中性子をもたないありふれた原子は、これだけです。同位体は原子核だけが違い、重水素は中性子1個、三重水素は2個です。ヘリウム4：陽子2個、中性子2個、電子2個で、1番目の殻が満たされます。最外殻が満たされていることが、ヘリウムが反応しない理由です。
リチウムからネオンのボーアモデル
第2周期で、殻は2つ。1番目に2個、2番目に1〜8個です。リチウム7 3 p、4 n、2, 1 · ベリリウム9 4 p、5 n、2, 2 · ホウ素11 5 p、6 n、2, 3 · 炭素12 6 p、6 n、2, 4 · 窒素14 7 p、7 n、2, 5 · 酸素16 8 p、8 n、2, 6 · フッ素19 9 p、10 n、2, 7 · ネオン20 10 p、10 n、2, 8。多くの授業では、最外殻の最初の4個の電子を上、右、下、左に1個ずつ置いてから対にするので、炭素には不対の電子が4個描かれ、電子式の点の並びと同じになります。
ナトリウムからアルゴンのボーアモデル
第3周期で、殻は3つ。内側の2つに2個と8個、3番目に1〜8個です。ナトリウム23 11 p、12 n、2, 8, 1 · マグネシウム24 12 p、12 n、2, 8, 2 · アルミニウム27 13 p、14 n、2, 8, 3 · ケイ素28 14 p、14 n、2, 8, 4 · リン31 15 p、16 n、2, 8, 5 · 硫黄32 16 p、16 n、2, 8, 6 · 塩素35 17 p、18 n、2, 8, 7 · アルゴン40 18 p、22 n、2, 8, 8。アルゴンは要注意です。ふつうの同位体はアルゴン40なので中性子は22個で、陽子より4個多くなります。
カリウムとカルシウムのボーアモデル
電子殻は4つです。カリウム39：19 p、20 n、2, 8, 8, 1。カルシウム40：20 p、20 n、2, 8, 8, 2。3番目の殻が8個のうちに4番目の殻に入り始めるのは、4s軌道のほうが3dよりエネルギーが低いからです。3番目の殻が18個に向かって埋まっていくのはスカンジウムからで、2, 8, 9, 2 です。KとCaは3番目の円に8個で描き、9個や10個にはしません。
イオンのボーアモデル
原子核は同じで、電子の数だけが違います。Na⁺：11 p、12 n、電子10個で 2, 8。最外殻がなくなります。Cl⁻：17 p、18 n、電子18個で 2, 8, 8。Mg²⁺ は 2, 8、O²⁻（8 p、8 n）と F⁻（9 p、10 n）も 2, 8 でネオンと同じ配置、Ca²⁺ は 2, 8, 8 です。イオンは角かっこで囲み、右上に電荷を書きます。イオン結合を示すなら、NaとClを並べて描き、ナトリウムの最外殻の電子が塩素へ移る矢印を入れます。
ボーア・ラザフォード図
原子核の中身を書き込んだボーアモデルです。ナトリウムなら円の中に 11 p⁺ と 12 n⁰、電子はそのまわりの円の上の点で描き、横に元素記号と質量数を添えることもよくあります。電子配置が同じで原子核だけが違う同位体を示すときに使う形式です。炭素12は中性子6個、炭素14は8個で、どちらも 2, 4。塩素35は中性子18個、塩素37は20個で、どちらも 2, 8, 7 です。
水素のエネルギー準位と輝線スペクトル
ボーアがこのモデルをつくった目的の図です。準位のエネルギーは −13.6 eV / n² で、n = 1 で −13.6 eV、n = 2 で −3.40、n = 3 で −1.51、n = 4 で −0.85 と、n が大きくなるほど間隔がつまります。n = 2 へ落ちる電子は可視光のバルマー系列を出します。n = 3 からは656 nmの赤、n = 4 からは486 nmの青緑、n = 5 と 6 からは434 nmと410 nmの紫です。n = 1 へ落ちると紫外線のライマン系列、n = 3 へ落ちると赤外線のパッシェン系列になります。電子殻の円のあいだに矢印を描く形でも、エネルギーのはしごの形でも描けます。
原子番号1〜20の元素のボーアモデルの電子配置
水素からカルシウムまで、陽子の数、最も多い同位体の中性子の数、電子殻ごとの電子の数をまとめました。各元素のボーアモデルを確かめるときの基準になる数字です。
| 元素 | 陽子 | 中性子 | 電子殻ごとの電子数 |
|---|---|---|---|
| 水素（H-1） | 1 | 0 | 1 |
| ヘリウム（He-4） | 2 | 2 | 2 |
| リチウム（Li-7） | 3 | 4 | 2, 1 |
| ベリリウム（Be-9） | 4 | 5 | 2, 2 |
| ホウ素（B-11） | 5 | 6 | 2, 3 |
| 炭素（C-12） | 6 | 6 | 2, 4 |
| 窒素（N-14） | 7 | 7 | 2, 5 |
| 酸素（O-16） | 8 | 8 | 2, 6 |
| フッ素（F-19） | 9 | 10 | 2, 7 |
| ネオン（Ne-20） | 10 | 10 | 2, 8 |
| ナトリウム（Na-23） | 11 | 12 | 2, 8, 1 |
| マグネシウム（Mg-24） | 12 | 12 | 2, 8, 2 |
| アルミニウム（Al-27） | 13 | 14 | 2, 8, 3 |
| ケイ素（Si-28） | 14 | 14 | 2, 8, 4 |
| リン（P-31） | 15 | 16 | 2, 8, 5 |
| 硫黄（S-32） | 16 | 16 | 2, 8, 6 |
| 塩素（Cl-35） | 17 | 18 | 2, 8, 7 |
| アルゴン（Ar-40） | 18 | 22 | 2, 8, 8 |
| カリウム（K-39） | 19 | 20 | 2, 8, 8, 1 |
| カルシウム（Ca-40） | 20 | 20 | 2, 8, 8, 2 |
カルシウムより先は表し方が2通りあります。学校の図では原子番号20までをここと同じく2, 8, 8で表しますが、スカンジウム以降はM殻が18個まで埋まっていきます（鉄は2, 8, 14, 2）。授業で使う表し方を指定すれば、それに合わせて描きます。
ボーアモデルと量子力学的モデルの違い
ボーアモデルは各電子を原子核から一定の距離にある決まった円軌道に置きます。量子力学的モデルは円軌道の代わりに、電子の見つかりやすい領域である軌道（オービタル）を使い、4つの量子数で表します。ボーアが番号を付けたエネルギー準位は、現代のモデルでも主量子数nとして残っています。
| ボーアモデル（1913年） | 量子力学的モデル | |
|---|---|---|
| 電子の位置 | 決まった円軌道の上 | 軌道（オービタル）の中。決まった道筋のない確率の雲 |
| エネルギー準位 | 量子化され、n = 1, 2, 3…と番号付け | 量子化された電子殻nが、s・p・d・fの副殻に分かれる |
| 量子数 | 1つ（n） | 4つ（n、l、mₗ、mₛ） |
| 正確に表せる原子 | 水素と、He⁺のような電子1個のイオン | すべての原子と分子 |
| 説明できること | 水素の線スペクトル | スペクトル、化学結合、磁性、周期表の形 |
| 向いている用途 | 陽子・中性子・殻ごとの電子を数える、価電子 | 電子配置、軌道の形、分子軌道の図 |
ボーアモデルは得意なことに使いましょう。殻ごとの電子数と価電子です。軌道の形や副殻、化学結合を扱うなら、電子配置の図や分子軌道の図を描くほうが適しています。
ボーアモデル（ボーアの原子模型）とは？
ボーアモデルは、原子を小さな原子核（中に陽子と中性子の数を記す）と、その周りの同心円状の電子殻に並ぶ電子で表した図です。電子は内側の殻から順に入ります。陽子の数が原子番号、陽子と中性子の和が質量数で、最も外側の殻の電子が、元素の結合のしかたを決める価電子です。
要点
- 1913年、ニールス・ボーアが水素原子について提唱しました。電子は決まったエネルギーをもつ許された軌道だけを回り、軌道間を移るときにだけ光を放出・吸収する、という考えで、水素の線スペクトルとリュードベリ定数を再現しました。
- 1つの電子殻に入る電子は最大2n²個（2, 8, 18, 32）です。K殻に2個、L殻に8個、M殻に18個までとなります。
- 原子番号20までの図では、M殻の電子は8個で止めます。アルゴンの次の電子は3dより低い4sに入るため、カリウムはK2・L8・M8・N1、カルシウムはK2・L8・M8・N2と描きます。M殻自体には18個まで入ります。
- 中性子の数＝質量数−原子番号。ナトリウム23は陽子11個、中性子23−11＝12個、炭素12は陽子と中性子が6個ずつです。電気的に中性な原子では、電子の数は陽子の数と同じです。
- これは学習用のモデルで、現代の原子像ではありません。決まった円軌道では電子が2個以上の原子を説明できず、量子力学的モデルが軌道（オービタル）に置き換えました。分子軌道法はその考えを化学結合に広げたものです。
ボーアモデルの図についてよくある質問
ラベル付きのボーアモデルには何を描けばいいですか？
陽子と中性子の数を記した原子核、円で描いた各電子殻、殻の上に点やバツ印で描いた電子、そして殻ごとの電子数です。多くのプリントでは元素記号、原子番号、質量数も求められます。これが標準の内容で、ラベルを減らすよう指定すればその分だけ描かれます。
ボーア・ラザフォード図とは何ですか？
ボーア・ラザフォード図は、原子核の中身まで書き込んだボーアモデルです。原子核の中に陽子（p⁺）と中性子（n⁰）の数を書き、そのまわりの電子殻に電子を描きます。カナダの理科の授業で多く使われる呼び名で、1911年のラザフォードの原子核と、1913年のボーアの電子殻にちなんでいます。この名前で指定すれば、原子核がこの形でラベル付けされます。
ボーアモデルの各電子殻には電子がいくつ入りますか？
K殻に2個、L殻に8個、原子番号20まではM殻に8個入ってからN殻に入ります。上限は2n²個（2, 8, 18, 32）ですが、4sが3dより先に埋まるため、カリウムは2, 8, 8, 1で、2, 8, 9にはなりません。
中性子の数はどう求めますか？
質量数から原子番号を引きます。酸素16は陽子8個で中性子は16−8＝8個、塩素35は陽子17個で中性子18個です。同位体の指定がなければ最も多い同位体を使います。上の表に原子番号20までの値を載せています。
イオンのボーアモデルはどう描きますか？
原子核はそのままで、最外殻の電子を増やしたり減らしたりします。Na⁺は最外殻の電子1個を失って陽子11個・電子配置2, 8になり、Cl⁻は電子を1個受け取って陽子17個・電子配置2, 8, 8になります。ふつうは角かっこで囲み、右上に電荷を書きます。
ボーアモデルと電子式（ルイス構造）はどう違いますか？
ボーアモデルはすべての電子殻とすべての電子を描き、電子式は価電子だけを元素記号の周りの点で表します。ナトリウムはボーアモデルでは2, 8, 1、電子式ではNaに点が1つです。分子全体を描くなら、このサイトのルイス構造ジェネレーターで結合や非共有電子対まで描けます。
ボーアモデルはなぜ古いと言われるのですか？
間違いというより、不完全なのです。決まった円軌道は不確定性原理と矛盾し、電子が2個以上ある原子のスペクトルを予測できません。1920年代に量子力学的モデルが軌道（オービタル）に置き換えました。それでも教科書に残っているのは、電子殻と電子数が正しく、描きやすいからです。
ボーアモデルを考えたのは誰ですか？
1913年のニールス・ボーアです。アーネスト・ラザフォードが1911年に示した原子核をもつ原子の考えをもとにしています。ボーアは原子の構造と原子が出す放射の研究で1922年のノーベル物理学賞を受賞しました。
低学年向けのかんたんなボーアモデルも作れますか？
作れます。かんたんな図と指定すれば、要点だけに絞ります。原子核とその数、各殻の電子で、ラベルは5つ以下です。
関連ツールと記事
ほかの図表作成ツールと、その読み方をまとめた記事。
