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1-3：　中性子の発見

「同位元素の問題」 　J.J. トムソン (イギリス：1856−1940) は, 天然のネオンが ２種類の異なる原子量を持つものの 混合物であることを 発見しました (1912)． その後，アストン (イギリス：1877−1945) は， 精密な質量分析を行って， さまざまな元素が， 何種類かの異なる原子量をもつ 同位元素 (同位体) の 混合物であることを 確かめました． つまり, 自然界には， 同一の元素に 重さの異なる同位体が 存在するわけです． このことは， 同一の荷電を持ちながら， 質量の異なる原子核が 存在することを意味します． 　もし原子核が 陽子と電子から 構成されているとすると， 同位体 が存在するということは， どう考えたらよいのでしょう．

「原子核は陽子と電子で 構成されているか？」 　ある種の原子核が電子を放射して β崩壊 することは良く知られています． 原子核が陽子 と電子 から 構成されていると考えると， β崩壊も自然に理解できるし， はなはだ都合が良いように 思えます． 　しかしこの考え方には， 次に述べるような いくつかの重大な 問題点があります．

(1) スピンと統計性の問題 　スピンと統計性の 詳細について学びたい方は， 別の量子力学に関する 専門書を参照して下さい． ここでは大雑把な 筋書きのみを説明しましょう． （ミクロの世界 −その２−： 「パウリ原理，スピン」 の項参照). 　話を分かりやすくするために， 具体例として， 原子番号が７で 原子量が１４の原子核, 窒素14 (14 N) を 考えましょう． 　陽子も電子もともにフェルミオン (フェルミ粒子) です． 偶数個のフェルミオンの複合体は， 全体としてはボソン(ボーズ粒子) の 統計性を持ち， 奇数個の場合はフェルミオンの 統計性となります． 窒素14 が 14 個の陽子と 7個の電子が結合したものであるとすると， 全体の粒子数は 21 となり奇数個です． ところが，分光学の実験結果から． 窒素14 を構成する粒子数は偶数で， 全体としてはボソンでなければなりません． これが第１の問題点です． 　第２の問題点はスピンです． 陽子も電子もともに のスピンを持っています． 粒子数が偶数の場合の全スピンは の整数倍です． 奇数個の場合は の奇数倍となることが 分かっています． 一方，窒素14 の原子核の スピンの実験値は 0 ですから， 全体の粒子数は偶数でなければ なりません． この点も大問題です． (2) 不確定性関係に関する問題 　原子核が陽子と電子で 構成されていると考えると， ヘリウムの原子核であるα粒子は ４個の陽子と２個の電子で 出来ていると考えられます． α粒子の直径はほぼ です． このサイズの中に 電子を閉じ込めるとすると， 電子の位置の不確定性は です． このとき，量子力学の 不確定性関係 から， 運動量の不確定性を求め, 速度の不確定性を計算すると となりますが， この値は光速 を はるかに超えるので， 特殊相対性理論から考えて 不合理です． つまり，電子のように 軽い粒子を， 原子核のように狭い範囲に 閉じ込めることは困難です． この点がもう一つの 重大な問題点です．

「ラザフォードの予測」 　上に述べたような 原子核が陽子と電子とで 構成されているという考え方の 問題点は， 質量が陽子とほぼ同じで， 電気的に中性の 粒子が存在すれば 一挙に解決されます． これにより 同位元素 の存在も容易に説明できます． 　ラザフォード は このような未知の 中性粒子の存在を予言し， 自分の弟子や学生に話していました． この影響を強く受けた 優秀な弟子の一人， チャドウィック (イギリス：1891−1974) は， この中性粒子を発見するべく 努力し，ついにその発見の栄誉を 自らのものにしました． この中性粒子は， チャドウィックにより 中性子 (neutron) と命名されました．

「中性子の発見」 　中性子の発見は， いくつかのグループによる 数年にわたる何段階もの 努力の結果 成し遂げられました．

(1) ボーテ・ベッカーの実験 　1928年， ボーテ (ドイツ：1891−1957) と彼の学生， ベッカー は ポロニウムからの強いα線を ベリリウムに照射したところ， 高いエネルギーの透過性の強い 放射線が放出されることを見つけました． ベリリウム以外にも， リチウムやホウ素でも 同様な放射線が観測されました． 最初，この放射線は 高エネルギーの γ線と考えられました． (2) I. キュリー - ジョリオの実験 　1931年頃， イレーヌ・キュリー (キュリー夫妻の娘； フランス：1897−1956) と ジョリオ (フランス：1900−1958) は 上記のボーテ達の高エネルギーの 放射線が，パラフィン中の 水素原子核 (= 陽子) を弾き飛ばすことを 報告しました． 　ジョリオ・キュリー夫妻は この現象をγ線が陽子によって 散乱される コンプトン効果 によるものと考えました． すなわち，この陽子は， 高エネルギーのγ線の粒子 (光子) がパラフィン中の 陽子に衝突し，これを ビリヤードの玉のように 弾き飛ばした結果， 飛び出してくる 反跳陽子であると 考えたわけです． (コンプトン効果については， ミクロの世界 −その１−： 「コンプトン効果」 のページ参照)． (3) チャドウィックによる 中性子の発見 　チャドウィックは ジョリオ・キュリー夫妻の 論文に注目し， 実験を繰り返し， 再検討しました． その実験装置の概念図は 下図 の通りです． 　(Po-Be) の線源から 放射された 透過性の高い放射線を, ターゲットとして 前面にパラフィン の板 を置いた 霧箱 に導きます (下図参照). その放射線は パラフィン中の 水素原子の原子核 (陽子) を弾き飛ばします． この陽子を 背後の霧箱で 写真に撮ったわけです． 　チャドウィックは ターゲットとして パラフィン だけでなく， ヘリウム や 窒素 も 試しました． それらの結果を比較検討し， その透過性の高い放射線が γ線であると考えると 説明できない矛盾が生じ， この謎の放射線は 質量が陽子とほぼ同じで， 中性の粒子である ことを 確かめ，中性子 (neutron) と名づけました(1932)． 　要するに， ジョリオ・キュリー夫妻は， 中性子を捕まえていたのに 残念ながら それと気が付かなかったわけです． かくして, 彼らは 「中性子の発見」を 間一髪取り逃がし， その栄誉を チャドウィックに さらわれてしまったわけです． しかし，中性子の発見の 栄誉を取り逃がした ジョリオ・キュリー夫妻は， まもなく 「最初の人工放射性元素の合成」 という栄誉を 勝ち取ることになります．

チャドウィックの実験装置の概念図 　左にポロニウムの α線源とターゲットの ベリリウムが置かれています． 高速のα線がベリリウムに 照射され，放出された 透過性の高い放射線 (紫色の破線矢印： 実は中性子) が パラフィンの中の 陽子を弾き飛ばし， 陽子は背後の 霧箱で観測されます．

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