こうして「量子力学」の基礎が誕生した

原子という言葉は古代ギリシャ人によって発明され、「分割できない」という意味です。古代ギリシャの哲学者の中には、すべてのものは分割できない原子で構成されていると信じていた人もいました。しかし、古代ギリシャの物理学はまだ初期段階にあり、それを検証する方法がなかったため、この見解は哲学の中にのみ残っていました。

18 世紀の終わりに、化学者は化学反応の前後の質量は変化せず、化学反応に関与する反応物の割合も変化しないことを発見しました。たとえば、鉄と酸素が反応して赤い粉末が生成される場合、鉄 100 部に対して酸素 42 部が存在する必要があります。黒色火薬の場合は、鉄 100 部に対して酸素 28 部でなければなりません。これは、化学反応には何らかの目に見えない基本単位があり、すべての反応はこの基本単位の倍数でのみ起こることを示しています。化学者ジョン・ドルトンは、古代ギリシャ人の命名に基づいて、この基本単位を「原子」と名付けました。これが科学的な原子論の誕生でした。

しかし、現代の意味での原子は、古代ギリシャ人が信じていたほど分割不可能なのでしょうか? 1897 年、物理学者トムソンは電荷を運ぶ一種の光線を発明しました。トムソンは、この光線は電磁波ではなく、いくつかの小さな粒子で構成されていると信じていました。彼はこの粒子の質量を測定し、それが極めて軽く、最小の原子である水素原子のわずか1800分の1であることを発見しました。トムソンは当時、原子は分割可能であり、これらの荷電粒子が原子の構成要素であると信じていました。後世の人々はそれを電子と名付けました。

電子は負の電荷を持ちますが、原子は中性です。負に帯電した電子はどのようにして中性原子を形成するのでしょうか?当時、一部の物理学者は、原子の構造は太陽系に似ており、電子が周囲を回っていて、中心に正電荷があると信じていました。これはいわゆる原子の惑星モデルです。しかしトムソン氏は、惑星と違って電子は電荷を帯びており、円運動によってエネルギーが放出され、原子が不安定になると指摘した。そこで彼は別のモデルを提唱した。原子は均一な正電荷の塊であり、パンに埋め込まれたレーズンのように個々の電子が点在しており、電子が電荷を打ち消し、原子全体が電気的に中性に見えるというモデルである。

このモデルは原子の安定性を説明し、当時は圧倒的な優位性を持っていましたが、数年後にはより大きな困難に直面しました。

トムソンの弟子アーネスト・ラザフォードは、放射性原子が自発的に放射線を放射できることを発見した。彼はこれらの放射線を 3 つのカテゴリーに分類し、最初のカテゴリーはアルファ線と呼ばれました。彼はアルファ線も小さな粒子で構成されていると信じており、先生と同じ方法を使って粒子の重さを測定したいと考えていました。しかし、彼は、これらの粒子が空気に当たるとあちこちに飛び散ってしまい、正確な測定が不可能になることを発見しました。

トムソン自身も電子を測定する際にこの問題に遭遇し、真空を作り出すという解決策を思いつきました。ラザフォードは真空を使って粒子の重さも測定しましたが、粒子が非常に重く、電子の数千倍も重いことがわかりました。

それは奇妙ですね。電子は非常に軽いので、空気中の原子にぶつかると跳ね返るのは当然のことです。アルファ線は非常に重いため、レーズンパンモデルの原子を問題なく通過できるはずです。なぜ跳ね返ってしまうのでしょうか?レーズンパンのモデルに重大な問題があるようです。

20 世紀初頭の物理学者には、原子の内部構造を直接見る方法がありませんでした。しかし、間接的な方法もあり、その 1 つは、粒子が原子に衝突したときに何が起こるかを確認することです。空気中の原子は空間全体に広がっており、あらゆる場所に跳ね返って混乱を引き起こします。しかし、実験条件を変えて、反発が特定の時間と場所でのみ起こるようにすれば、この謎を解くことができるかもしれない。

その後、ラザフォードは一連の実験を行った。彼は金属を非常に薄い層に圧縮し、それを真空中に置き、アルファ線を照射しました。その結果、ほとんどのアルファ線はまっすぐに通過し、少量は偏向し、まれに90度を超える大きな跳ね返りが発生することが分かりました。

この現象をどう理解すればよいのでしょうか?原子が均一に帯電していたら、結果にそれほど大きな違いは生じないはずです。そのため、ラザフォードは、原子内の正電荷はレーズンパンモデルのように広がっているのではなく、原子内の小さな領域に高度に集中して原子核を形成していると信じていました。入射するアルファ線がコアから遠く離れている場合は、そのまま通過します。コアに直接当たると大きな角度で跳ね返ります。電子に関しては、周辺部に分布しています。このようにして、彼は実験を通じて惑星モデルが正しいことを証明しました。

この証拠はレーズンパンモデルを完全に覆すほど強力でしたが、物理学者を惑星モデルの元々の問題に直面させることにもなりました。原子核を周回する電子は不安定であるはずなのに、なぜ実際には安定しているのでしょうか?この問題を解決する過程で量子力学が生まれました。ラザフォードがいなければ、現代物理学が何年後に誕生していたかは不明です。