衝撃の実験「”跳ね返ったα粒子”が明かした原子核」の存在…なぜか「ノーベル賞が与えられなかった」深すぎる謎

「凄まじい破壊力」はどこから生まれるのか？

核分裂の発見（1938年）から原爆投下まで、わずか6年8ヵ月。「物質の根源」を探究し、「原子と原子核をめぐる謎」を解き明かすため、切磋琢磨しながら奔走した日・米・欧の科学者たち。多数のノーベル賞受賞者を含む人類の叡智はなぜ、究極の「一瞬無差別大量殺戮」兵器を生み出してしまったのでしょうか。

近代物理学の輝かしい発展と表裏をなす原爆の開発・製造過程を、予備知識なしでも理解できるよう解説したロングセラーが改訂・増補され、『原子爆弾〈新装改訂版〉　核分裂の発見から、マンハッタン計画、投下まで』として生まれ変わります。

ブルーバックス・ウェブサイトでは、この注目書から、興味深いトピックをいち早くご紹介していきます。今回は、「原子核の発見」をめぐるミステリーについて探ってみます。

＊本記事は、『原子爆弾〈新装改訂版〉　核分裂の発見から、マンハッタン計画、投下まで』（ブルーバックス）を再構成・再編集したものです。

ブドウパン型原子モデルの「難点」

ブドウパン型原子モデルではこの実験結果*の説明がつかない以上、他の原子モデルを考え出さなければならない。ここまで来て、ラザフォードの胸は俄然、騒ぎ出した。のちにラザフォードは、この実験結果に関して次のように述懐している。

「これはまるで鉄砲の玉をティッシュ・ペーパーめがけて撃った後に、鉄砲玉がそのティッシュ・ペーパーによって跳ね返されたようなものだ」

＊この実験結果：前回の記事で取り上げた、ラザフォードが考案し、マーズデンとガイガーに託された実験。ごく薄い金箔に放射線（α線）をあてたところ、ごく稀に箔を通り抜けずに跳ね返るアルファ粒子が観測された。詳しくは、こちらから読まれたい。

J・J・トムソンのブドウパン型モデルでは、プラスの電荷は原子いっぱいに均一に広がっており、その中にいくつかの電子が均等にちらばっていて、プラス電荷とマイナス電荷が均等に混ざり合っている。

しかし、このトムソンのモデルでは、電子を入れている容器でもあるプラスの母体が、いったい何であるのかがハッキリしない。

時速1000万km以上の速度で走っているプラスに帯電した比較的重いアルファ粒子が、1個の原子に衝突して90度以上の大きな散乱角*でその原子に跳ね返されるためには、その原子のプラスの電荷は、原子いっぱいに広がっているのではなくて原子の中心点に集中しており、電子はそのまわりに散在しているというような仮定が必要となってくる。

つまり、原子内では、プラス電荷とマイナス電荷が均等に混ざり合っているのではなく、分離されていると仮定するのだ。

＊散乱角：アルファ粒子が金箔に向かって入ってきた方向に対して、金箔を通過後にどれほどの角度でその方向が曲げられるか（散乱されるか）、その角度のこと（図「散乱角」参照）。

一点に集中しているプラス電荷のまわりを電子群（マイナス電荷）が包み込んでいる。プラス電荷は一点に集中しているが、マイナス電荷は広がっている。したがって、そのような原子内ではプラス電荷の密度はきわめて大きく、マイナス電荷の密度は小さい。

このような構造であれば、ブドウパン型モデルとは異なり、原子全体としては中性であっても部分的には中性ではなく、中心点のみがプラスで残り全部はマイナスであるという状態を想定できる。

電荷も質量も併せ持つもの

このような構造を持つ原子のもとに、プラス電荷を持つアルファ粒子が飛び込んできたらどうなるだろうか。

アルファ粒子は、広がって存在するマイナス電荷よりも、中心点に集中している密度の高いプラス電荷と強く反応する。プラス電荷を持つアルファ粒子と、原子中心点のプラス電荷との間には、プラスとプラスの同符号どうしゆえに強い電気反発力が生じるからだ。この強い反発力のためにアルファ粒子は直進できず、その進路を大きく曲げられる。

だがしかし、もし原子中心点のプラス電荷が、飛び込んできたアルファ粒子よりも軽いとどうなるか？

重い物体が軽い物体に衝突したら、弾き飛ばされるのが軽い物体のほうであるのは自明である。重いアルファ粒子は、電気反発力を受けても、原子の軽いプラス電荷を弾き飛ばしてしまうだろう。しかし、ラザフォードらの実験では、こんな現象は観測されていない。弾き飛ばされたのは、フォイルに飛び込んでいったアルファ粒子のほうなのである。

これを説明するには、原子内でその中心点に集中しているのはプラス電荷だけではなく、原子全体のほとんどの質量も中心点に集中していなければならないということになる。つまり、原子全体の重さのほとんどを、中心点にあるプラス電荷が担っていることになる。そうすれば、原子中心のプラス電荷は入ってきたアルファ粒子よりも重くなり、電気反発力によってアルファ粒子のほうが弾き飛ばされることになる。

結局、原子の中心にあるプラス電荷は、電荷の他に質量（物質量）をも併せ持ち、一つの単独の荷電粒子を形成する。原子の中心にあるこの荷電粒子は、原子の核を形成して「原子核」となる。

原子核はプラスに帯電しており、原子全体のほとんどの質量を担っている。原子核のまわりに散在しているすべての電子の重さを足し合わせても、原子核の重さよりはるかに小さいということになり、原子核は電荷と物質が密集した粒子となる。

解決しない問題

この新しいモデルを、ラザフォードの実験にあてはめてみよう。

飛び込んできたアルファ粒子（プラス電荷）とプラスの電荷を持つ原子核との間に強い電気反発力がはたらく。アルファ粒子と原子核とが接触しなくとも、この電気反発力がはたらく。

これは、アルファ粒子が原子核を避けて通っても、ある程度近づくとアルファ粒子は原子核によって電気反発力を受けることを意味している。したがって、アルファ粒子が原子核の近くを通過しただけでも、その進路を大きく曲げられることになる。

アルファ粒子が、一つの原子核にみごとに命中することなどめったにありえない。ましてや、10万分の1cmという厚さの金フォイルにアルファ粒子が飛び込んできても、そこは原子核の数が少ないのであるからアルファ粒子が原子核に命中する確率はきわめて低い。

それでも、アルファ粒子は原子核の近傍を通過しただけで強い電気反発力を受けるのであるから、その進路は大きく曲げられ、散乱角が90度以上になることは十分に考えられる。

しかし、これで問題が解決したわけではない。

電子が「静止」していたら？

原子核のまわりにはいくつかの電子が散在している。これらの電子がじっと静止していたらどうなるか？

すべての電子はマイナスの電荷を有しているから、プラスの電荷を持つ原子核に電気引力によってたちどころに引きつけられてしまうだろう。このため原子核は電気的に中性になってしまい、原子核そのものが原子となる。

原子核が電気的に中性になってしまった以上、アルファ粒子との間には電気反発力は生じない。プラスに帯電しているアルファ粒子がこのような中性の原子核に近づいてきても、なんら電気反発力を受けず、その進路を大きく曲げられることなど起こりえない。したがって、アルファ粒子が金フォイルによって弾き飛ばされることもありえない。

ラザフォードの実験結果を説明するためには、原子核はプラスに帯電していなければならない。しかし、核のまわりにあるマイナス電荷は電気引力のためにプラスの原子核に吸い寄せられてしまい、原子核は中性になってしまう。

どうすればこの難題を解決することができるだろうか。

原子核の発見

ここで太陽系を考えてみよう。

太陽と惑星の間には、重力による引力がはたらいている。そのため、もし惑星がじっと静止していたら、太陽に引きつけられてやがて太陽にぶつかってしまう。惑星が太陽にぶつからないの は、惑星が太陽のまわりを回っているからである。

同じことを原子にあてはめて、もし電子が原子核のまわりを回っているとすると、電子が原子核に吸い寄せられて原子核にぶつかることはなくなる。

ラザフォードは実験結果を説明するため、彼独自の原子モデルを提唱した。

すなわち、原子はその中心に核があり、核は原子全体のすべてのプラスの電荷を担っており、さらに核が原子のほぼ全体の質量をも担っている。そして、核のまわりにいくつかの電子が回っているーー。

ラザフォードは、この「太陽系型原子モデル」に基づいて、アルファ粒子が原子核によって電気反発力のために散乱されるとき（その進路が曲げられるとき）に、どのくらいの角度（散乱角） でその進路が曲げられるのかを決める計算式を理論的に導き出した。

この計算式を使って計算したアルファ粒子の散乱角と、測定器を用いて測定した実験に基づく実際の散乱角とを比較してみたところ、ほぼ一致を見たのである。

「ほぼ」と言ったのは、当時はコンピュータもなく、測定器も現在のものと比較すると貧弱で、 測定誤差が大きかったからである。

しかし、測定誤差の範囲内では完璧に近い一致を見ており、ラザフォードの原子モデルの正しさを裏づけることとなった。

どうしてノーベル賞が与えられなかったのか

ラザフォードの原子モデルが正しいということは、ラザフォードは原子核を発見したことになる。1911年、アーネスト・ラザフォードはこの結果を「フィロソフィカル・マガジン」誌に発表した。

かくしてラザフォードは、原子核の発見者となったのである。

前述のとおり、ラザフォードは原子核発見以前の1908年に、放射性元素の研究に対する貢献によってノーベル化学賞を受賞している。ところが、原子核の発見については、生涯を通じてノーベル賞を受賞していないのだ。

これはどう考えてみてもおかしい。原子核の発見は、歴史上に残る大発見である。

当時のノーベル委員会は、原子核の発見に関していったいどのように考えていたのか？　マリー・キュリーは当時、すでに2度のノーベル賞を受賞しているのだから、ラザフォードに同じことがあっても、なんら不思議ではなかったはずなのだが。

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このように、原子核の実質的な発見者だったラザフォードですが、じつは、本質的にラザフォードと非常に近いモデルを提唱した日本人物理学者がいました。続いては、理論物理学者・長岡半太郎と、彼の独自の原子模型である「長岡モデル」についての解説をお届けします。

原子爆弾〈新装改訂版〉　核分裂の発見から、マンハッタン計画、投下まで

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