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原子核発見100周年

先週、強盗に遭ってしまいまして、大変なんですが、それに付いてはまたあとで。

5月のうちに書かないと、という話なのでこちらを優先します。というか、強盗の件は、どうまとめれば良いのかまだ見当が付かないので…


なんで全然話題にならなかったんだろう、という話で、今月は、原子核発見の100周年でした。

1911年5月は、論文が発表された月で、学会での発表は3月だった、というのは理由かもしれません。でも、3月にもそういう話は無かったですよね…


とにかく、1911年5月に、ニュージーランド生まれの物理学者アーネスト・ラザフォードが、原子には、とても小さい核が存在するのでは、と考える事で、ある実験の結果を説明しました。どんな実験だったのか、という本題に入る前に、このラザフォードの発見以前に、原子がどのようなものと考えられていたのか、まずまとめます。


モノをどんどん分割していくと、これ以上分割できないモノに行き着く、という原子論が受け入れられるようになったのは、18、19世紀の化学の発展によってでした。その原子にも、さらに細かい部品があるらしい、と言うのが分かったのが19世紀の末です。ガスに電圧をかけると、飛び出してくるモノがある事が分かったんですね。

cathode ray

これが電子。発見したのはイギリスのJ.J.トムソンでした。

トムソンは、磁場によって電子が曲がるのを観察して、電子が負の電荷を持っている事、そして、原子全体の質量と比べて、電子は1000分の1の質量もない、という発見をしました。(注1)


原子全体には電荷が無いので、負の電荷を持つ電子と、正の電荷を持つなにかが一緒になって、原子を作っているはずです。そこでトムソンは、正の電荷を持った球体の中に、小さな電子が散りばめられてるんじゃないか、と言ったんですね。

これが、プラムプディングモデル、と呼ばれる説です。原子は、プラムの果実が散りばめられてるお菓子のようなものなんじゃないか、という事です。

plum pudding

電子が、原子全体と比べてとても軽い事が分かったので、場所を取っているのは正の電荷の方だろう、というのはごく自然な仮説でした。


このプラムプディングモデルの発表が1904年。これでは説明できない実験が現れるまでには、5年しかかかりませんでした。

当時は、ラジウムなどから発される放射線が発見されたばかりで、放射線とは何か、という研究が盛んに行われていました。キュリー夫人など有名ですね。ラザフォードも、放射線の研究で名を上げた学者で、放射線を出した原子が、別の元素になる事がある、と言う発見で1908年にノーベル化学賞を受賞していました。α線、β線、γ線の名付け親も彼。

プラムプディングモデルを覆したのは、この放射線の研究の一環で、α線を、物質にぶつけると、どういう事が起きるのか、という実験でした。


プラムプディングから予測されるのは、下の図。
plum pudding prediction

原子の正の電荷(ピンクの部分)には広がりがあるので、α線に大きな力を加える事はありません。α線も正の電荷を持っているので、他の正の電荷からは反発されるのですが、上にあるものには下に向かって押され、下にあるものには上に向かって押される、と言うように力が打ち消されてしまうからです。

さらにα線は、電子よりずっと重い、という事が知られていました。そこから予測できるのは、電子(水色)の近くを通っても、あまり曲げられる事はない、という事。つまり、プラムプディングの原子に、α線が大きく曲げられる事はない、という事です。


実際に実験をしたのは、ラザフォードの助手だったハンス・ガイガー(注2)と、学部生のアーネスト・マースデン。α線を金箔に当てて、その周りに、α線が当たると光るスクリーンを置いて、それを顕微鏡で眺めて光る回数を数える、という、すごい地味な実験です。観察する際には、まず暗闇に20分ほど入って目を慣らさないといけなかったとか。だから学部生を使ったのか、と思ってしまいますが…

その実験ではなんと、α線が金箔の手前に跳ね返される、という現象が見つかったんです。α線、2万本につき1回、という珍しさですが、大量のα線を使っていたので、十分に観測できる数でした。

ラザフォードは、ノーベル賞をすでに受賞していて、この後にも大発見にいくつか関わったのですが、この結果を聞いたときほど驚いた事は無かったと語っています。彼はこの実験を、「砲丸をティッシュペーパーに向かって打ち込んだら、跳ね返されて戻ってきたよう」、と表現しました。


こんな事が起きる理由は、原子の中の正の電荷は、大きく広がっているのではなく、小さな核に固まっている、と考えれば分かります。

nucleus prediction

大きな電荷と質量が小さな容量に固まった原子核があるとします。そんな原子核とα線が正面衝突すれば、α線が真後ろにはじき返される、というわけです。


というのが、主流のストーリーなんですが、実は、原子核説を唱えていた人はラザフォード以前にもいました。少なくともフランスのジャン・ペランと日本の長岡半太郎の2人。太陽系からの類推で、真ん中に核があって、その周りを電子が回っているんじゃないか、という発想だったのですが、実験からの証拠は得られず、2人ともガイガーとマースデンの実験以前に、この説を突き詰める事は諦めていたようです。

長岡の1904年の論文は、イギリスのPhilosophical Magazineという学術誌に載ったので、ラザフォードにも読まれていました。100年前のラザフォードの論文にも引用されています。


以上、ですが、あとでちょっと参考文献など書き足しますね。

(注1)ちなみに、ブラウン管のテレビは、電子を磁場で曲げる事で、画面のどこを照らすかコントロールしています。

(注2)ガイガーカウンターのガイガー。「助手」と書きましたが、実際の肩書きが何だったのかはすぐには分かりませんでした。
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テーマ : 物理学
ジャンル : 学問・文化・芸術

小さい世界

原子核に付いて書こうと思ったんですが、その前に、基礎の話。みんなにイメージだけでも知っておいて欲しい話です。科学については詳しい、と自覚しているような人には、つまらないかも知れません。

自分で絵を書こうとも思ったんですが、もっと良い絵があるので、使わせてもらいます。xkcdという理系オタク向けのコミックスから。描かれてるものを、全部暗記しようとかはしなくていいです。ネタも混じってますし。重要だと思う部分だけ、あとで説明するので、まずは眺めてみてください

"Depth"、深さ。

Depth

人間の大きさから、ずっと小さいものまで並んでるわけです。

正直、生き物でやって欲しかったんですが、これより上手く描く自信はないので我慢(笑)


上の方から順に。

1.人の大きさは、1~2mくらい。でもこの記事では、すごく小さい数の話をするので、桁以外は気にしない事にします。

というわけで1m


2. "Ovum"

人の卵子ですね。生き物はものすごい数の細胞から出来てますが、細胞の中でも大きい方です。

10-4m、0.1mmくらいの大きさです…という事は、肉眼で見えますよね?面白いなぁ。

人間の体の中には100兆個くらいの細胞があります。


3. "Bacteriophage"

これはウイルス。ウイルスには細胞がありませんが、遺伝子は備わっています。「頭」の部分に、DNAまたはRNAが入っているんですね。

10-8~10-7mの大きさ。10~100nmとも書けます。nm(ナノメートル)は、10億分の1m。

人間の遺伝情報が入った染色体も、大体同じ大きさです。


4. "Si, Si, Si…"

これは、コンピュータを拡大してるので、半導体のシリコン(ケイ素)の原子が並ぶ絵になってます。コンピュータ以外のものでもなんでも、拡大すれば原子で出来ていることが分かります。生き物を拡大した場合には、酸素、水素、炭素、窒素の原子が特に多く登場するはずです。

原子が集まり、1つの塊になっている物が分子で、単純なものでは、水(酸素原子1個と水素原子2個)や、二酸化炭素(酸素原子2個と炭素原子1個)などがありますね。DNAは、とても大きな分子で、数十億個の原子から出来ている場合もあります。

原子の大きさは、10-10mくらい。0.1nmです。

人間の体に含まれる原子の数は、28桁の数字になるくらい多いです。そんなに原子が小さいと思うのか、そんなに人間が大きいと思うのかは、視点の違いですね。


4. "Electron cloud"

1つ1つの原子が何で出来ているかというと、原子核の周りに電子(electron)があります。元素(原子の種類を決めるのは、(普段)その原子の中に電子が何個あるのか、です。

原子と原子がくっついて分子を作るのは、いくつかの原子の間で電子を交換したり、間に電子を置いたりした方が安定した状態になる事がある、という事です。化学という学問は主に、どういう場合にこれが起こるのか、という探求です。


5. "Silicon nucleus", "Proton"

一番下の方にあるのが、原子核(nucleus)。

原子核の大きさは、10-15mくらい。原子全体の10万分の1の大きさしかありません。原子核の大きさからすると、かなり遠くに電子があるという事です。

原子核は、陽子と中性子というもので出来ています。小さい小さい原子核ですが、原子の重さ(質量)のほとんどが、原子核に詰まっています。陽子と中性子は、どちらも電子の2000倍くらい重いからです。

陽子と電子は、静電力で引き合うようになっていて、ちょうど同じ数になると一番安定します。なので、原子の中にある陽子の数と、電子の数は一緒。原子の種類は、電子の数で決まると書きましたが、原子核の中にある陽子の数でも同じ答えになります。

中性子は、静電力には関わらないので、電子への影響も小さく、化学反応とはあまり関係がありません。ただ、重さは陽子とほぼ同じですし、原子核が安定するかどうかは、中性子の数に大きく左右されます

放射性物質と言って、ここ2ヶ月のニュースに出ている物質は、中性子の数が少な過ぎたり、多過ぎたりするために、原子核が不安定になっているものなんですね。(原子炉から出ているものは、中性子が多過ぎるものがほとんどです。)


もっと小さいものに付いて、絵に描かれていない事を少しだけ話すと、陽子や中性子も、クォークと呼ばれるさらに小さい粒子で出来ている事が分かっています。そして電子やクォークは、今のところ素粒子、つまりそれ以上分解できない粒子だと考えられています。どちらも、今は測れないほど小さいものです。大きさのない、点粒子だという可能性もあります。


大雑把な話だけでも、みんなに知っておいてほしいな、と思ったことです。大きい物の話もした方がいいかな?大きい物の絵もxkcdにあるんで。

テーマ : 自然科学
ジャンル : 学問・文化・芸術

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プロフィール

アシュリー

Author:アシュリー
カリフォルニア州バークリー在住、元スポーツジャンキーのアシュリーです。

今観るスポーツは、アーセナル(サッカー)とグリズリーズ(バスケ)、あとテニス。

専門の物理ネタ以外にも、色々書いていくつもりです。

Twitterをハンドル名Inoueianでやっています。

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