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2-2：　原子の中の電子の個数

第１部で学んだように, 原子の中に電子が 存在することが わかりました． 　それでは, それぞれの原子の中には きまった個数の 電子があるのでしょうか？ この問題に解答を 与えたのは, 原子による X 線の散乱 の 実験でした． 以下で簡単に 説明しましょう．

「X 線の性質」 　X 線は 真空放電 の実験をしていた レントゲン (ドイツ: 1845 - 1923) によって偶然 発見されました(1895)． レントゲンは, 黒い 厚紙で巻かれた クルックス管 から, 透過性の極めて強い 一種の「光線」が出て, 離れた場所にある 蛍光物質を 発光させ，また 机の引出しの中に しまってある写真乾板を 感光させることに 気がつきました． これは陰極線の作用ではない ことは明らかでした． なぜなら陰極線はガラスも 黒い厚紙も通しませんから． この未知の「光線」は 「未知」と言う意味で X 線 と名付けられました. 　クルックス管から X 線が出る理由は, 高速の陰極線 (電子) が ガラスや金属に 衝突するからです． 電磁気学によれば, 荷電粒子が加速または 減速するときに 電磁波 (= 光) を 出します． クルックス管の中の 陰極線 (電子) が ガラスなどに衝突すると, 電子がストップし, つまり急速に 減速され, このとき 電磁波が出るはずです． これが X 線が出る 理由です． 　普通の光と同様 X 線が 電磁波である という証拠は, X 線を極めて狭い スリットを通すと 光と同様な 波動 の性質 (回折 現象) を示すからです． また偏光するという 性質も実験的に 確かめられました．

「原子によるX 線の散乱, 電子の個数」 　原子は電気的に中性です． 一方, 原子の中にマイナスに 帯電した電子があることが わかっていますので, このマイナス電気を 打ち消すだけの プラス電気を帯びた 「ある物」 が原子の 中にあるはずです． また電子の質量は 原子の質量より はるかに小さく, 最も軽い水素原子と 比べても, 約 1/1800 ですから, プラス電気 を持つ 「ある物」 が 原子の質量のほとんど 全てを担っているはずです. まずこのことを念頭に おいてください． 　上に述べたように, X 線は電磁波であることが わかりました． この X 線が原子に当たると, X 線の電場が原子内の 荷電物質 (電子や 「ある物」) に 力をおよぼして 振動させます． 加速・減速を繰り返して 振動する荷電物質は 電磁波を四方に放射します． このようにして, 下図 に示すように, 入射した X 線が いろいろな方向に 散乱されるわけです．

電磁気学によれば, 加速度を持った荷電粒子が 放射する電磁波の強さは 粒子の加速度の２乗に 比例します． ニュートンの運動方程式 によれば, 加速度は 働いた力を質量で割った ものです． したがって, 放射される電磁波の強さは 質量の２乗に反比例します． 原子の中のプラスの「ある物」が 放射する電磁波の強さは, それよりはるかに軽い 電子が放射する電磁波に 比べて 1/1000000 よりも 弱く, 完全に無視できます． 　つまり, X 線は原子の中の 電子だけによって 散乱される と考えて よいでしょう．

「原子内の電子の個数」 　上図 のように, X 線をいろいろな原子に 照射する実験を しました． このとき, 入射した X 線の 一部は散乱され, その分だけ 透過 X 線の強さは 弱くなります． この 減衰度は 原子の中の電子の個数に よります． これを詳しく調べた結果, 電子の個数がはっきりと わかりました． 　水素原子の 電子の個数は１, ヘリウムは２, というように, 電子の個数は 原子量の約半分 であることが わかりました．

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