原子物理学の父 ラザフォード 原子のひみつに挑む
ものを細かく細かく分けていくと、
それ以上は分けられない
超ミクロな原子にいきつきます。
それらの原子の種類が元素です。
元素は118種類もあります。
人や動物や植物の体も空気も建物も
原子の組み合わせによって 物の性質がさまざまに変化することでできています。
ものを作るということは、どの元素の原子をどういうふうにくっつけるか、
ということと言えます。
原子自体に変化が起こり別の種類の原子になるようなことはあるのでしょうか？
今日は、この謎に挑んだ科学者を紹介します。
原子はどんな姿なのでしょう？
生い立ち
1871年、ラザフォードはニュージーランドに生まれました。
ちいさいころから勉強が得意でした。
ネルソン・カレッジ（高校）とカンタベリー大学で物理と数学を学び、
電気で鉄を磁石にすることについての卒業論文を書いています。
イギリスへ
1894年、23歳のラザフォードは、
優秀だからとイギリスから奨学金をもらいました。
1895年には、
イギリスのケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所で、
磁石の研究をつづけ、世界の誰よりも早く、
磁石になった鋼線を
無線の受信器に使えることを発見しました。
✕線・電子・霧箱などの研究で有名な
トムソン教授はラザフォードについて、
「突き進む力をもち、
ほかの学生を引っぱっていくリーダーだった」
と書き残しています。
同時期のニュース①放射線の発見
1895年、ドイツのレントゲン博士は
Ｘ線を発見しました。
骨が見えるというＸ線に
世間は大さわぎになりました。
同時期のニュース②放射能の発見
1896年から1898年にかけて、
フランスのマリー・キュリーが
ウランやラジウムなど
放射線を出す元素があることを
発見しました。
放射線を出す能力を放射能といいます。
同時期のニュース③放射線が磁石で曲がる
1898年、フランスのベクレルは
放射線の一部が磁石で曲がることを発見しました。
キュリー夫妻も磁石による曲がり方から
曲がる放射線が－の電気をもっていることを
発見しました。
この放射線が実は電子であることが分かってきました。
α線、β線
1898年、ラザフォードはウランから出る放射線が、
少なくとも２種類あることを発見しました。
一つはうすいアルミ箔でさえぎれる放射線。
α線と名づけました。
もう一つは100倍あついアルミ板も通る放射線。
β線と名づけました。
α線は重い
1898年、ラザフォードはカナダのマギル大学の教授になり、
放射線の研究をつづけました。
それまでα線は曲げられないものと考えられていましたが、
1903年、ラザフォードは世界ではじめて、
強力な磁石と電場でα線を曲げられることを発見しました。
このことは、α線も電気をもっていて、
β線よりずっと重いことを示しています。
α線とは？
さらにラザフォードは、α線が+の電気をもっていることを発見しました。
そして、測定値の計算から、α線はヘリウムイオンか水素イオンかの
どちらかであることを突き止めました。
※イオンとは、電子が陽子の数にくらべて足りない、または多い原子のこと。
当時はまだ中性子は発見されていません。
α線はヘリウムイオン
放射線を出す鉱石は必ずヘリウムガスを出しています。
1904年、ラザフォードは「α線はヘリウムイオンだと思う」と発表しました。
1907年になって、このことは実験で確かめられました。
トリウムの放射能と別の元素への変換
1899年、ラザフォードは、
トリウムという元素の放射能が変化することに気づきました。
トリウムをふくむ石から出ている気体を集めて
放射線をはかると、
放射線のほとんどがトリウムではなく、
この気体から出ているのです。
そして、この気体だけを別に集めてしまうとトリウムを含む石の放射能は弱くなり、
時間がたつと、
その石の放射能は気体を集める前の状態にもどることを発見しました。
1902年、ラザフォードは、
「トリウムは、放射能をもつ別の気体の元素に変化している」と発表しました。
今まで、絶対に変わることはないと考えられてきた元素も変換されて
変わっていくものだったのです。
1923年、この気体はラドンと名づけられました。
興味がある人は、周期表のどこにある元素なのか探してみてください。下の方です。
トムソンのブドウパンモデル
原子の中に、
✙の電気をもつ部分と－の電気をもつ部分があることが分かってきました。
そこで、ラザフォードの先生であるトムソン教授は
「原子は－の電気をもつブドウが、
✙の電気をもつパンの中に
うめこまれているような構造なのだろう」
と発表しました。
ノーベル化学賞
1908年、ラザフォードは、ある元素の原子が
放射線を出しながら別の元素の原子に変化する
ことの発見を評価され、ノーベル化学賞を授与されました。
原子の構造と原子核
1909年、ラザフォードはイギリスのマンチェスター大学で、
原子の中をさぐる研究をはじめます。
まず、弟子にα線が金箔でちらばる様子を観察させました。
原子がブドウパンのようにできているなら、
α線はまっすぐ金箔を通りぬけるはずです。
でも、ラザフォードは、
「念のため、
後ろにはね返るものがないか確認するように。」
と弟子に言いつけました。
すると、大発見です！
2万個に1個の割合で、α線は後ろにはね返されるのです！
ということは、原子の中はどうなっているのでしょう？
原子核の発見
１９１１年、ラザフォードは、原子は小さくて重い原子核と、
そのまわりをまわる軽い電子でできていると発表しました。
ほとんどのα線が金箔を通りぬけたことから、
原子の大部分は何もない空間であり、
少数のはね返されるα線があることから、
原子には重さが集中している芯がある
ということが分かります。
その後
１９１１年 ソディ、α線を出した元素は周期表で２つ左の元素になることを発見。
ラッセル、β線を出した元素は周期表で右隣の元素になることを発見。
１９１３年 ボーア、原子核のまわりをまわる電子の軌道がとびとびのボーアの原子模型を発表。
ガイガー、放射線を数えるガイガー・カウンターを発明。
１９１９年 ラザフォード、原子核の中に陽子があることを証明。
１９２０年 ラザフォード、中性子の存在を予言。
１９２８年 ディラック、✙の電荷をもつ陽電子があることを予言。
１９３０年 ボーテ、ベリリウムにα線をぶつけると鉛板も通りぬける放射線がでることを発見。
ベリリウム線と名付ける。
１９３２年 チャドウィック、ベリリウム線がラザフォードが予言した中性子であることを証明。
１９３３年 ジョリオ＝キュリー夫妻、アルミニウムにα線をぶつけると陽電子を出す放射性リン
ができることを発見。
１９３７年 セグレ、人工的に作られた元素テクネシウムを発見。
１９６４年 ゲルマン、ツワイク、クオークモデルを提唱。
現在
電子レンジ・パソコン・スマホなど日常生活にかかせない電子機器はすべてラザフォードの実験から出発し、ボーアの原子模型などをへて発展した量子力学をつかって設計されています。
また、高エネルギー加速器研究機構などの粒子加速器で陽子や電子を光速にちかい速さでぶつけて
陽子の中、物質が何からできているか、宇宙誕生の瞬間に物質がどうやってできたかなどをしらべる研究が進められています。
参考文献
シェダード・カイド＝サラーフ・フェロン, エドゥアール・アルタリーバ 著. はしもとこうじ 監訳, すずきまなみ 訳. はじめまして量子力学ふしぎがいっぱいミクロのせかい. 化学同人. 2020.
若林文高 監修. ノーベル賞を知る③物質の性質を大発見！ノーベル化学賞. 講談社. 2020.
ゲイリー・ベイリー 著, 本郷尚子 訳. 世界をうごかした物理学者. ほるぷ出版. 2019.
小山慶太 原作, 佐々木ケン 漫画. マンガおはなし物理学史 物理学400年の流れを概観する. 講談社. 2015.
Ｌ.ローゼンフェルト 著, 江沢洋 訳. ボーア革命 原子模型から量子力学へ. 日本評論社. 2015.
廣田襄 著. 現代化学史―原子・分子の科学の発展. 京都大学学術出版会. 2013.
吉田伸夫 著. 光の場、電子の海―量子場理論への道. 新潮選書. 2008.
朝永振一郎 著. スピンはめぐる 成熟期の量子力学 新版. みすず書房. 2008.
坂本浩, 工藤博司 著. 放射性元素・核種の小さな物語. 日本放射化学会. 2007.
Richard P.Brennan 著. 大場一郎, 室谷心 訳. 天才科学者はこうして生まれた―創造はセレンディップ？―. 丸善. 2001.
エミリオ・セグレ 著, 久保亮五, 矢崎裕二 訳. ✕線発見からクォークまで. みすず書房. 1982.
石原純 著. 偉い科學者. 実業之日本社. 1942.
原子物理学の父 ラザフォード―原子のひみつに挑む―
監 修 高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所 小沢恭一郎准教授
茨城県立医療大学アイラボキッズ代表 鹿野直人准教授
文・絵 島本真帆子