【創造的栽培プログラム】ラザフォード：原子核の中には何がある？開けて見てください

著者: 田大偉

ドルトン、ブラウン、アインシュタイン、ペリンの共同の努力のおかげで、人類は原子が存在するという合意に達しました。

しかし、ドルトンの現代の原子論では、「原子は分割できない」と述べられています。人間が利用する原子力エネルギーは原子核内部のエネルギーから生まれます。次に、核を開いて内部の構造を解明することが不可欠です。では、原子は本当に物質を構成する最小単位なのでしょうか?原子はさらに分解できますか？

この問題を解決したのは、ジョセフ・トムソン、アーネスト・ラザフォード、ジェームズ・チャドウィックの 3 世代にわたる教師と生徒でした。

プラムプディングモデル: 原子の最初のベールを剥ぐ

原子の内部構造を発見した最初の科学者はトムソンでした。

トムソンはベータ線を研究していたとき、ベータ線が電子と呼ばれる一種の負に帯電した粒子で構成されていることを発見しました。

トムソンは、あらゆる原子にそのような電子が存在するはずだと信じていました。さらに、トムソンはレーズン プディングの原子モデルを提唱しました。これは、各原子がレーズン プディングのようなものであり、正電荷がプディングのように原子全体に均等に分散され、負電荷を帯びた電子がレーズンのようにプディングに散りばめられているというものです。

このモデルは教科書ではあまり評価されておらず、簡単にしか触れられていないものの、それでも重要な意味を持っています。これは、原子がさらに分解できることを示しています。さらなる分解の作業は彼の弟子であるラザフォードに任された。

ラザフォードの原子モデル

1901年、ラザフォードは放射性元素「トリウム」を研究していたとき、トリウムがアルファ線を放射できることを発見しました。さらに驚くべきことは、崩壊後、トリウムが別の元素に変化したことです。

ある元素が別の元素に変換できるという考えは、か​​つては錬金術師の空想の中にしか存在しなかったが、現在ではラザフォードが実際にそれを確認した。この大発見により、ラザフォードは1908年のノーベル化学賞を受賞しました。

ちなみに、ラザフォードはノーベル化学賞を受賞した後、幸せではなかった。彼は物理学者なので、間違いなくノーベル物理学賞を受賞するべきだと考えていた。

しかし、ラザフォードにとってノーベル賞は重要ではなかった。彼は放射性元素の研究を通じて、ある事実を突き止めました。それは、放射性元素によって放出されるエネルギーは原子内部から来るということなのです。当時、キュリー夫人をはじめ多くの人々は、放射性物質のエネルギーは外部から吸収されるものだと信じていました。そのため、ラザフォードはキュリー夫人が放射能について十分な知識を持っていなかったと考えました。

原子内部からさまざまな種類の放射線が放射される場合、これは原子がさらに分解される可能性があることを示しています。

では原子の中には何があるのでしょうか?そこでラザフォードは原子にアルファ粒子を照射し始めました。これは有名な「金箔実験」です。

1908年、ラザフォードは助手のガイガーの助けを借りて、金箔にアルファ粒子を照射し続けました。彼らは、アルファ粒子が金箔を通過する際、ほとんどの粒子はまっすぐに通過するが、少数の粒子は偏向し（ラザフォードはこれを散乱と呼んだ）、さらにごく少数の粒子は大きく偏向することを発見した。

この異常現象には理由があるはずだと考え、ラザフォードは大きな偏向を持つ粒子に研究の焦点を当てました。彼は助手たちに、跳ね返ってきたアルファ粒子を探すようにさえ指示した。ラザフォード自身はあまり期待していなかったが、彼の助手は実際に非常に小さな粒子がまっすぐに跳ね返ることを発見した。

ラザフォード自身の言葉によれば、それはまるで大砲を手に取ってティッシュペーパーに撃ったが、砲弾はティッシュペーパーから跳ね返ったようなものだった。これらの跳ね返った粒子は砲弾のようにラザフォードの想像力を刺激した。

当時、ラザフォードはすでにアルファ粒子が正の電荷を帯びていることを知っていました。このような大きな偏向が起こった場合、非常に強い電磁力の影響を受けた可能性が考えられます。跳ね返った粒子は電荷が集中している場所、つまり原子核に当たるはずです。

計算によれば、原子核は鳥の巣スタジアムに置かれたテニスボールのように、非常に小さいはずです。

しかし、師であるトムソンのレーズンプディングモデルによれば、原子内の正電荷は均等に分布しているはずであり、一箇所に正電荷が集中することはないはずである。先生が前に言ったことは間違っていたのでしょうか?

ラザフォードは非常に厳格な人物であり、自分の発見を公表することに急いではいなかった。彼はほぼ 4 年をかけて大量のデータを検証し、それが絶対確実であることを確認した後、ラザフォード モデルは 1911 年に初めて公開されました。

ラザフォードは原子は不滅ではないと信じていた。原子の真ん中には小さな正電荷を帯びた原子核があり、その外側には電子が高速でその周りを回転しています。

現時点では、ラザフォードにはもっと重要なことがありました。彼は原子核の中に何が入っているのかを解明する必要がありました。

ラザフォードは、愛するアルファ粒子を他の原子に照射し続けました。ラザフォードは窒素原子に衝撃を与えた際、アルファ粒子が窒素原子に衝突すると水素原子核が出現し、それが後に陽子になるという現象を発見しました。

水素原子核が破壊される可能性があるという事実は、水素原子核が窒素原子核の構成要素である可能性があることを示しています。さらに、水素原子核の質量は非常に軽く、他の原子核の質量は水素原子核の整数倍です。水素原子核がすべての原子核の構成要素である可能性はありますか?

もしそうなら、これはまた別の重要な発見となるでしょう。

1920年、ラザフォードは水素原子核がすべての原子核を構成する基本単位であることを発見したと発表しました。彼はこの基本単位に陽子[1]という名前を付けました。

しかしラザフォードは慎重な姿勢を保った。彼は発見を発表した後、すぐに結論を発表しなかった。代わりに、彼は別の物理学者、パトリック・ブラケットを見つけて、自分の仮説を検証するためのさらなる研究を依頼した。

23,000枚の写真に写っている400,000以上の足跡を観察した結果、8つの特別な足跡を発見した。ラザフォードは再び、この異常現象から大きな発見をした。これら 8 つの軌跡は、水素原子核が実際に他の元素の原子核の構成要素であることを示しました (これら 8 つの軌跡は、窒素原子核とアルファ粒子の衝突後に極めて不安定なフッ素原子が形成され、その後 1 つの酸素原子核と 1 つの水素原子核に崩壊したことを示しています)。

そして 1920 年に、ラザフォードは水素原子核がすべての原子核を構成する基本単位であるという発見を発表しました。彼はこの基本単位に陽子[1]という名前を付けました。

こうして、原子核の中で最も重要な粒子が発見されました。

キュリー夫妻は中性子を通過する

ラザフォードが陽子を発見した後、彼と助手のチャドウィックはもう一つの不思議な現象を発見しました。

窒素原子の原子核の重さは水素原子の約 14 倍（陽子 14 個分の重さにほぼ相当）ですが、電子は 7 個しかありません。もし原子核に陽子しか含まれていなかったら、窒素原子は電荷を帯びているはずですが、それはあり得ません。そのため、ラザフォードは原子核の中に陽子と同程度の重さを持つ、電荷を持たない中性粒子が存在するはずだと推測した。

この中性粒子が中性子です。しかし、これまでのところ、これは単なる推測に過ぎず、ラザフォードには中性子が存在するという直接的な証拠がなかった。

この証拠を最初に発見したのは、ヴァルター・ボーテとハーバート・ベッカーという2人のドイツ人科学者でした。

1930年に、彼らはリチウム、ベリリウム、ホウ素、その他の元素にアルファ粒子を照射しました。砲撃後、彼らは奇妙な種類の光線を発見した。光線は非常に高いエネルギーを持ち、電荷を持っていませんでした。彼らはそれがガンマ線（電磁放射線の一種）であると信じていました[2]。

いくつかの資料では、中性子の存在を最初に発見したのはキュリー夫人の娘と婿、つまりキュリー夫妻だったとされていますが、これは事実ではありません。しかし、キュリー夫妻はすぐにこの放射線の研究を始め、それを他の物質に照射して非常に高エネルギーの陽子を生成するのに利用しました。[3]

残念ながら、彼らはその放射線自体がガンマ線であるかどうかについては疑問を抱きませんでした。つまり、彼らは中性子とノーベル賞メダルを逃したのです。

ラザフォードの助手チャドウィックは、この種の放射線はガンマ線ではなく、ラザフォードが予測した中性子であるはずだと痛感していた。そこでチャドウィックはすぐに実験を繰り返し、その放射線が電荷を帯びておらず、質量が陽子に非常に近い小さな粒子で構成されていることを証明し、中性子の存在を確認した。この発見により、チャドウィックは1935年のノーベル物理学賞を受賞した。

ちなみに、ローレンスという名のもう一人の科学者も、ヴァルター・ボーテとキュリー夫妻の説明に問題を感じ、研究に打ち込んだが、チャドウィックより一歩遅れをとっていた。しかし、その後、ローレンスは別の研究によって人類の原子力エネルギーの発展に極めて大きな貢献を果たし、自身もノーベル賞を受賞しました。彼については後でまた言及します。

この時点で、人々は原子核内の陽子と中性子を発見しただけでなく、原子核の組成を変えることで、ある物質を別の物質に変換できることも知っていました。

次に、人々は核に手を伸ばし、核内のエネルギーフルーツを摘み始めます。

参考文献:

[1] ロマーA（1997）。 「陽子か陽子か？ラザフォードと原子の深淵」アメリカ物理学ジャーナル。 65（8）：707.

[2] ボス、W.;ベッカー、H.（1930）。 「Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen」[核γ線の人工励起]。物理学の雑誌。 66（5–6）：289–306.

[3] ジョリオ＝キュリー、イレーヌ＆ジョリオ、フレデリック（1932年）。 「非常に透過性の高いγ線の影響下での水素化物質による高速陽子の放出」競争相手。 194: 273.