実験ラザフォード 1908と1913との間で行わは、アルファ粒子と、厚さ0.0004ミリメートルの金薄膜を爆撃し、蛍光スクリーン上に残った前記粒子の分散パターンを分析から成っていました。
実際、ラザフォードは多くの実験を行い、詳細をますます洗練してきました。結果を注意深く分析した後、2つの非常に重要な結論が明らかになりました。
-原子の正電荷は、核と呼ばれる領域に集中しています。
-この原子核は、原子のサイズに比べて非常に小さいです。
図1.ラザフォードの実験。出典：ウィキメディア・コモンズ。クルゾン
アーネスト・ラザフォード（1871-1937）はニュージーランド生まれの物理学者で、その分野は放射能と物質の性質でした。ラザフォードが実験を始めたときの放射能は最近の現象であり、1896年にアンリベクレルによって発見されました。
1907年に、ラザフォードはイギリスのマンチェスター大学に行き、原子の構造を研究しました。これらのアルファ粒子をプローブとして使用して、このような小さな構造の内部を調べました。物理学者のハンスガイガーとアーネストマースデンが彼に同行しました。
彼らは、二重にイオン化されたヘリウム原子であるアルファ粒子が単一の金原子とどのように相互作用するかを確認して、発生した偏差が電気力のみによるものであることを確認したいと考えていました。
ただし、ほとんどのアルファ粒子はわずかなずれで金箔を通過しました。
この事実はトムソンの原子モデルと完全に一致していましたが、研究者の驚いたことに、アルファ粒子のごく一部はかなり顕著な偏差を経験しました。
また、パーティクルの割合がさらに少なくなると、完全に元に戻ります。これらの予期せぬ結果は何によるものでしたか？
実験の説明と結論
実際、ラザフォードがプローブとして使用したアルファ粒子はヘリウム核であり、当時、これらの粒子が正に帯電していることがわかっていました。今日、アルファ粒子は2つの陽子と2つの中性子で構成されていることが知られています。
アルファ粒子とベータ粒子は、ラザフォードによってウランからの2つの異なる種類の放射線として識別されていました。電子よりもはるかに重いアルファ粒子は正の電荷を帯びていますが、ベータ粒子は電子または陽電子です。
図2.ラザフォード、ガイガー、マースデンの実験の詳細なスキーム。出典：R.ナイト。科学者と工学のための物理学：戦略的アプローチ。ピアソン。
実験の簡略化したスキームを図2に示します。アルファ粒子ビームは放射性源から来ます。ガイガーとマースデンはラドンガスをエミッターとして使用しました。
鉛ブロックは、放射線を金箔に向け、それが蛍光スクリーンに直接向かわないようにするために使用されました。鉛は放射線を吸収する素材です。
続いて、このように方向付けられたビームは薄い金箔に当たるように作られ、粒子のほとんどは蛍光硫酸亜鉛スクリーンに向かう途中で続き、そこで小さな光跡が残りました。ガイガーはそれらを1つずつカウントすることを担当していましたが、後でそれを行うデバイスを設計しました。
一部の粒子がわずかなたわみを受けたという事実は、ラザフォード、ガイガー、およびマースデンを驚かせませんでした。結局のところ、アルファ粒子に力を及ぼす原子には正と負の電荷がありますが、原子は中立であり、彼らがすでに知っていたため、偏差は小さくなければなりませんでした。
実験の驚きは、いくつかの正の粒子がほぼ直接跳ね返ったことです。
結論
アルファ粒子8000分の1が90度を超える角度でたわみを経験しました。数は少ないですが、いくつかの質問には十分です。
流行の原子モデルは、キャベンディッシュ研究所のラザフォードの元教授であるトムソンによるレーズンプディングのモデルでしたが、ラザフォードは、原子核がなく、電子がレーズンとして埋め込まれている原子のアイデアが正しいかどうか疑問に思いました。
アルファ粒子のこれらの大きな偏向、およびいくつかが戻ることができるという事実は、原子が小さくて重い正の核を持っている場合にのみ説明できることが判明しているためです。ラザフォードは、クーロンの法則によって示されるように、電気的引力と反発力のみが偏差の原因であると仮定しました。
アルファ粒子のいくつかがこの核に直接近づくと、電気力は距離の逆二乗で変化するため、広角散乱または後方偏向を引き起こす反発を感じます。
確かに、ガイガーとマースデンは、非常に薄いシートを作成するために、金だけでなくさまざまな金属のシートに衝撃を与えて実験しましたが、この金属はその可鍛性に最も適していました。
同様の結果を得ることにより、トムソンが彼のモデルで仮定したように、ラザフォードは原子の正電荷が原子核内に配置され、その体積全体に分散されるべきではないと確信しました。
一方、アルファ粒子の大部分は偏ることなく通過したため、原子サイズに比べて核は非常に小さくなければなりませんでした。しかし、この核は原子の質量のほとんどを集中させなければなりませんでした。
原子のモデルへの影響
結果はケンブリッジでの会議で宣言したラザフォードを非常に驚かせました：「それはティッシュペーパーのシートで15インチの砲弾を発射し、発射体が直接あなたに向かって跳ねてあなたに当たるようなものです」。
これらの結果はトムソンの原子モデルでは説明できないため、ラザフォードは原子が非常に小さく、非常に大きく、正に帯電した核で構成されていることを提案しました。電子は彼の周りの軌道にとどまり、小型の太陽系のようでした。
図3.左側はラザフォードの原子モデル、右側はトムソンのレーズンプディングモデル。出典：ウィキメディア・コモンズ。左の画像：Jcymc90
これが、左の図3に示す原子の核モデルです。電子も非常に小さいので、原子がほとんどすべてであることがわかります。空の！したがって、ほとんどのアルファ粒子はほとんど偏向されずにシートを通過します。
そして、ミニチュアソーラーシステムとの類推は非常に正確です。原子核は太陽の役割を果たし、ほぼすべての質量と正電荷を含みます。電子は惑星のようにそれらの周りを周回し、負の電荷を帯びます。アセンブリは電気的に中性です。
原子内の電子の分布については、ラザフォードの実験は何も示さなかった。あなたはアルファ粒子がそれらと何らかの相互作用を持っていると思うかもしれませんが、電子の質量は小さすぎて、それらは粒子を著しく偏向させることができませんでした。
ラザフォードモデルの欠点
この原子モデルの問題の1つは、まさに電子の振る舞いでした。
これらが静的ではなく、電気的引力によって駆動される円形または楕円軌道で原子核を周回している場合、それらは最終的に原子核に向かって突進することになります。
これは加速された電子がエネルギーを失い、それが起こった場合、それは原子と物質の崩壊であろうからです。
幸いなことに、これは起こりません。崩壊を防止する一種の動的安定性があります。ラザフォードの次の原子モデルはボーアのもので、なぜ原子崩壊が起こらないのかについていくつかの答えを出しました。
陽子と中性子
ラザフォードは散乱実験を続けた。1917年から1918年にかけて、彼と彼の助手であるウィリアムケイは、ガス状窒素原子にビスマス214の高エネルギーのアルファ粒子を衝突させることを選択しました。
水素原子核を発見したとき、彼は再び驚いた。これは反応の方程式であり、これまでに達成された最初の人工核変換です。
答えは、同じ窒素からでした。ラザフォードは水素に原子番号1を割り当てました。なぜならそれはすべての最も単純な要素だからです：正の核と負の電子。
ラザフォードは、最初にギリシャ語に由来する名前である陽子と名付けた基本的な粒子を発見しました。このように、陽子はすべての原子核の必須成分です。
その後1920年頃、ラザフォードは、陽子の質量と非常に類似した質量を持つ中性粒子が存在する必要があると提案しました。彼はこの粒子を中性子と呼び、それはほとんどすべての既知の原子の一部です。物理学者のジェームズチャドウィックは1932年にようやくそれを特定しました。
水素原子のスケールモデルはどのように見えますか？
私たちが言ったように、水素原子はすべての中で最も単純です。しかし、この原子のモデルを開発することは容易ではありませんでした。
連続した発見により、量子物理学と現象を原子スケールで記述する理論全体が生まれました。このプロセスの間に、原子モデルも進化しました。しかし、サイズの問題を見てみましょう：
水素原子の核は1つの陽子（正）で構成され、1つの電子（負）を持っています。
水素原子の半径は2.1 x 10 -10 m と推定されていますが、陽子の半径は0.85 x 10 -15 mまたは0.85フェムトメーターです。この小さなユニットの名前はエンリコフェルミによるもので、このスケールで作業するときによく使用されます。
まあ、原子の半径と原子核の半径の間の商は10 5 mのオーダーです。つまり、原子は原子核の100,000倍です。
ただし、量子力学に基づく現代のモデルでは、電子は軌道と呼ばれる一種の雲（原子軌道は軌道ではない）で核を取り囲んでおり、電子は原子スケールでは時間厳守。
水素原子が想像上の方法でフットボール競技場のサイズに拡大された場合、正の陽子で構成される核はフィールドの中心にある蟻のサイズになり、負の電子は一種の幽霊のようになります。フィールド全体に散らばり、ポジティブコアを囲みます。
今日の原子モデル
この「惑星型」の原子モデルは非常に内在的であり、視覚化が非常に簡単であるため、ほとんどの人が原子について持っているイメージです。しかし、それは今日科学分野で受け入れられているモデルではありません。
現在の原子モデルは量子力学に基づいています。彼女は、ラザフォードが想像したように、原子中の電子は正確な軌道をたどる負に帯電したドットではないと指摘している。
むしろ、電子は原子軌道と呼ばれる正の核の周りの領域に散乱します。彼から、私たちはある状態または別の状態になる確率を知ることができます。
それにもかかわらず、ラザフォードのモデルは、原子の内部構造に関する知識の大きな進歩を表しています。そして、それはより多くの研究者がそれを洗練し続けるための道を開きました。
参考文献
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- Xaktly。ラザフォードの実験。xaktly.comから回復。
- ウィキペディア。ラザフォードの実験。回復元：es.wikipedia.org。