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2-6：　原子核とは何か

前ページで説明したように, ラザフォードの原子模型 の成功 によって, 原子はプラス電気を 持った 原子核 と, その回りを とりまいて運動する 電子 とで構成されている ということが 明らかになってきました． 　原子には Z 個の 電子が含まれ, これらは 全部で -Ze の電荷を 持っています． 原子核には, 電子の マイナス電気を 打ち消す +Ze の電荷が 集中 していると 考えられます． 　これまでの ページで詳しく 説明したように, 原子全体の質量に比べて, 電子の質量は桁違いに 小さいことがわかっています． したがって, 原子核が原子全体の質量 のほとんど全てを 担っていると 考えられます． 　それでは, 原子核は 何から, どのように, 構成されている のでしょうか．

	「原子核の大きさ」 　ラザフォード散乱の角度分布 の公式は, 原子核の +Ze の電荷が１点に集中した 点電荷 であるという 仮定のもとに導かれました． しかし, 電荷の分布が多少 広がっていても, (2-5-A) のページ で説明した 最小の 最近接距離 以下であれば, ラザフォードの公式は 成り立つはずです． したがって, 実験データが ラザフォードの公式 によく合致していれば, そのときの原子核の 大きさ (半径) は 最小の最近接距離 よりも小さいと 判断されます． 　もう一度 ラザフォード散乱の 軌道を眺めてみましょう (下図左)． 赤の矢印 で 示した距離が 最小の最近接距離 です．
	薄い銅箔に ラジウムからの α 線を 当てたときの散乱の 実験においては, 散乱角 θ が 180°近くまで ラザフォードの公式が 実験結果に よく合っていました． このときの α 粒子のエネルギーは E = 5.3 MeV です． 銅は Z = 29 です． α 粒子が原子核に 正面衝突する場合に 原子核に最も 近づきます． そのときの 最近接距離は となります． この結果, 銅の原子核の 大きさは 1.6 x 10-14 m より小さい と考えられます． 原子の大きさが 10-10 m であることと比べると, 原子核の大きさは 約1/5000以下 です． 原子核が いかに小さいかが わかります．

「原子核の人工変換，陽子」 　1919年, ラザフォードは 窒素 を 酸素 に 人工的に変換することに 成功しました． 　原子によるα 線の 散乱実験の一環として, 下図 のように 窒素ガスの中に 放射性物質を置き 蛍光物質上の シンチレーション (発光) を調べたところ, ときどき α 粒子とは考えられない 方向に 非常に明るい 発光を観測しました． 　その後, 同様な現象は ホウ素, フッ素, ネオン, ナトリウム, 燐, 硫黄, アルゴン, 等々 数多くの元素で 見つかりました． これは, 高速のα 粒子が これらの原子の原子核に 衝突して, 何か「不明の」 高エネルギーの 荷電粒子が 飛び出すと 考えられました． 　この現象を ウィルソンの霧箱 (きりばこ) で 写真に撮影することにも 成功しました． 霧箱を磁場中に 置くなどして 精密に解析した結果， この「不明の」 粒子は 水素イオン と同じ物であることが わかりました． 水素原子は 原子核と1個の電子から できていますから， 水素原子から 電子が1個剥ぎ取られた 水素イオンは, 水素の原子核, すなわち 陽子 (proton) です． 　このラザフォードの 実験は, (窒素の原子核) + (ヘリウムの原子核) → (酸素の原子核) + 陽子 という 人工原子核変換 を行ったことを 意味します． つまり, 窒素の元素を 酸素の元素に 人工的に 変換したことになります．

「原子核の構成要素」 　このようにして 陽子 が 原子核の構成要素の １つ であることが わかりました． しかし原子核が 陽子だけでできている かどうかはわかりません． 例えば前に議論したように， ヘリウムの原子核は α 粒子です． その質量は水素イオン (陽子) の約４倍ですが, 電荷は２倍の +2e です． ヘリウムの原子核 (α 粒子) は ４個の陽子と２個の電子が 集まってできている と考えると, 一見よさそうです． このように，初期の頃は， 原子核は陽子と電子で 構成されていると 考えられましたが， これでは矛盾が 起きることが 明らかになりました． 　原子核の構成要素が 明らかになるのは， 1932年の チャドウィック (イギリス: 1891 - 1974) による 中性子 の発見 を待たなければ なりませんでした．

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