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原子の電子配置について

■ はじめに

 「原子は物質を構成する最小の粒子である」という説明を見かけます。科学の研究の歴史の中では、確かにそのように考えられている時期もあったことでしょう。しかし、より詳しく研究を進めてゆく中で、「原子はより小さな粒子で成り立っている」ということが突き止められています。

■ 原子の構造

 原子のつくりは大まかには、原子核と電子の2つの部分から成り立っている、と言えます。原子の中心には原子核という粒子があり、原子核の周囲を電子という粒子が取り囲んでいます。

○ 電子

 電子は、電池のマイナス極と同じ電気を帯びた粒子です。その電気の強さは、1.6×10-19[C]という値になります。この強さがどれくらいのものか、ということはここでは省略します。それよりも、電子を図にするときに、マイナスの電気を帯びた粒であることから○に-を添えて表すことを強調しておきます。

○ 原子核

 原子核は、電池のプラス極と同じ電気をおびた「つくり」です。原子核は、陽子と中性子に分けられることから、あえて「つくり」と表現しました。

・陽子

 陽子は、電池のプラス極と同じ電気を帯びた粒子です。その電気の強さは、電子と同じ1.6×10-19[C]という値になります。陽子を図にするときには、○に+を添えて表します

・中性子

 中性子は、プラスの電気もマイナスの電気も帯びていない粒子です。中性子を図にするときには、ただの○で表します

・原子核の表し方

 原子の質量を考えるとき、中性子を無視するわけにはいかなくなります。しかし、ここでは原子の質量のことを論じるつもりはありません。そのため、中性子の存在はすみに置き、原子核の中にある陽子の数にだけ注目して話を進めてゆきます。

 原子核の中の陽子にだけ注目するとき、陽子の数と+を○で囲って原子核を表すことが多いです。

ヘリウム(ヘリウム-4)のつくり

■ 電子殻

○ 電子殻について

 原子の中の電子は、原子核の周りに、層をつくって存在していることが知られています。原子の中において電子が存在する層のことを電子殻といいます。

 ふつう、1つの原子の中には、何層もの電子殻があります。このため、アルファベットを使って呼び分けます。原子核に最も近い電子殻を「K殻」と決め、原子核から遠ざかるにつれて「L殻」「M殻」「N殻」「O殻」・・・という具合に、アルファベット順に名付けてゆきます。

○ 電子殻に収容できる電子の数について

 それぞれの電子殻に収容できる電子の数には限界があります。例えば、K殻は電子を2個まで収容することができ、3個以上の電子を収容することはできません。

 電子殻に収容できる電子の数は、原子核から遠い電子殻ほど多くなります。原子核から遠いほど、電子殻が空間的に大きくなるからです。


■ 原子の電子配置

 原子の中の電子は、いくつかの電子殻に分かれて存在しています。電子殻に収容できる電子の数には限界があるためです。

理科の中の算数について思う

 高校で理科を教えていると、算数の内容でのつまづきが原因で理科も共倒れになるという場面に合うことがしばしばある。それもそのはず。小学校算数はあたりまえに身についていることを前提に、中学校や高校の数学や理科が組み立てられている。特に、中学校以降の数学は数学的な概念の定着に重点を置く。算術を駆使する場が、数学ではなく理科になるのだ。

 「学びなおし」や「計算特訓」みたいな時間割を特設し、算術の訓練をしている学校もあるだろう。そんな学校ならいざ知らず、理科がそれをやらなければ生徒の算数の知識が呼び起される機会はない。なんとなく分かっている人も多い。でも、意識的に対策されているのか疑問だ。分かっていればまだましな方で、生徒の算数の知識が追い付いていないのに、遮二無二、理科を指導してしまう。それゆえに、理科が嫌いになる生徒も多いのではないだろうか。

 理科嫌いと言われるけれど、意外と生物や地学などは好かれている。物理・化学にピンポイントで苦手意識を持つ生徒が多いことの一因だろう。

 算数の中で、圧倒的につまづきがある内容が「はんぱ」と「割合」である。2つを組み合わせてた「分数」などもってのほか。それらをよけて、理科の授業を行うことも可能だろう。化学や物理であっても、うまくやれば避けられる。が、生徒にとって「理科の知識」と「算数の知識」とどちらが大切かと問うと、「算数」なのは認めざるを得ない。

 あまりこだわりすぎると、かえって生徒を苦手にしてしまう。十分に分かっていること。しかし、上手くやれば生徒の力を劇的に引き延ばすことができる、ということもまた分かっている。理科の教員として、実践から切り離すべきではない「量の概念」の指導について、小学校算数の指導要領を照らし合わせながら考えられないかなと、思索しているところだ。

 もしかすると、ことは理科で閉じていなくて、学校全体としての基礎学力保障の取り組みに関連付ける必要があるかもしれない。そこまで考えが至れば、何やら面白いことになるかもしれない。などと、皮算用。

【備忘録】pic16f88 ad変換プログラム

研究の過程で、アナログ回路の電圧をパソコンに取り込んで処理する必要が出てきた。大学で学んだことなどを総括すると、picというマイコンと、usb-ioというモジュールを組み合わせて実現できそうだ。picでAD変換を行い、信号をusb-ioでパソコンに取り込む。

さっそく両者を手に入れたが、公務優先ゆえに、手を付けられずにいた。

勤務校も冬休み。ようやく手を付けられるようになった。まずは、pic16f88のプログラミングに挑戦した。初めてのアセンブリ言語。なにから手を付けていいかわからないので、ネットにアップされていた7セグデジタル電圧計のプログラムを解析するところから始めた。1日がかりの作業で何とかプログラムを完成させたのだが、usb-ioと組み合わせて動作を確認してみたところうまくいかない。というか、usb-ioが思うように動かない。

usb-ioの挙動も調べつつ、picのプログラムと電子回路の改良によって、何とか思い通りの動きをするようになった。備忘録としてpicのプログラムを残しておく。

<vmeter.asm>

;—-ヘッダー——————————
LIST P=PIC16F88
INCLUDE __CONFIG _CONFIG1, _CP_OFF & _DEBUG_OFF & _CPD_OFF & _LVP_OFF & _BODEN_ON & _MCLR_OFF & _WDT_OFF & _INTRC_IO & _PWRTE_ON
__CONFIG _CONFIG2, _IESO_OFF & _FCMEN_OFF

;—-変数定義—————————-
COUNT EQU H’20’ ;ループカウンタ
TC EQU H’2D’ ;START内のループカウンタ

ORG 0
GOTO START

ORG 4
GOTO START

;—-STARTサブルーチン—-
START
CALL INIT

START1

CALL ADSTART ;AD変換

GOTO START1

;—-INITサブルーチン—-
; 入出力ピン初期化
;——————–
INIT
BCF INTCON, GIE ;INTCONの7ビット目を0に →割り込み禁止

BSF STATUS, RP0 ;STATUSのRP0ビット(6ビット目)を1に →Bank1へ切り替えた

MOVLW B’01010000′ ;2MHz 101
MOVWF OSCCON ;をOSCCONへ→クロック設定

MOVLW B’00000001′ ;(-,RB7, RB6, RA4, RA3, RA2,RA1,RA0)=(-,デ,デ,デ,デ,デ,デ,ア)
MOVWF ANSEL ;をANSELへ

MOVLW B’00000000′ ;RBx=0 出力モード
MOVWF TRISB ;をTRISBへ→ポートBを出力モードに

MOVLW B’00000001′ ;RA0=1 RA0入力 、RAx(x>0)=0 RAx 出力モード
MOVWF TRISA ;をTRISAへ→ポートAの0番を入力モードに

MOVLW B’00001110′ ;AD変換結果を右づめで格納
MOVWF ADCON1 ;をADCON1へ

BSF OPTION_REG, NOT_RBPU ;OPTION_REGの7ビット目を1に→RBプルアップ有効

BCF STATUS, RP0 ;STATUSのRP0ビット(6ビット目)を0に →Bank0へ切り替えた

MOVLW B’00000001′ ;変換クロック÷2(00)、変換チャンネルRA0(000)、まだ変換しない(0)、-、変換使用開始(1)
MOVWF ADCON0 ;をADCON0へ

RETURN

;—-ADSTARTサブルーチン—-
; AD変換データ取得サブルーチン
;————————-
ADSTART
CALL TIME
BSF ADCON0, GO
WAIT
BTFSC ADCON0, GO ;GO→AD変換中は1、終了していれば0でGOTOをスキップ
GOTO WAIT ;プログラムカウンタを減らしてループ

MOVF ADRESH, W ;上位データをWへ
MOVWF PORTB

BSF ADCON0, GO

RETURN

;—-遅延サブルーチン—-
TIME
MOVLW H’25’
MOVWF COUNT
NOP
LOOP
DECFSZ COUNT, F
GOTO LOOP

RETURN

END