第2部目次
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2-3: 原子によるα 粒子の散乱 |
前ページまでで 明らかになった 原子の性質 をまとめておきましょう. |
(1) | 原子の半径は ほぼ 1Å = 0.1 nm = 10-10 m の程度です. | |
(2) | 原子全体に比べて はるかに軽く マイナスの電荷 -e (e = 電気素量) を持つ 電子 を含んでいます. 電子の個数は 原子量の約半分です. | |
(3) | 原子は電気的に 中性です. したがって, 電子のマイナス電荷を 打ち消す 同量のプラス電荷を 持つ「ある物」が 原子の中に存在 するはずです. この「ある物」が 原子の質量の ほとんど全てを 荷っていると 思われます. |
このような原子の内部は どうなっているのでしょう. 目に見えない原子の内部構造を 調べるためには, 何か適当な物を ぶっつけて反応を 見るのがよいと思われました. それには,ウラニウムや ラジウムのような 放射性物質から出てくる α 線 が適当ではないでしょうか. |
「
α 線
の正体」
原子にα 線をぶっつける前に, α 線の正体を知らなくては なりません. α 線は, ウラニウムやラジウム などから高速で 放出されるプラスに帯電した 放射線で, α 粒子の集まり (束) であると考えられました. まず α 線の進路を電場および 磁場の中で曲げて, 比電荷 Q/M を測定しました. (Q は電荷, M は質量.) その結果, α 粒子の比電荷は 水素イオンの比電荷の 1/2 でした. このときの測定法は 1-7-A の 電子の比電荷の測定法 と同様です. ただし,電子はマイナスに, α 粒子はプラスに 帯電していることに 注意してください. また α 粒子の電荷を 測定します. まず,下図 (A) のような 装置で,α 線源から 単位時間に 単位立体角あたり 何個のα 粒子が 放出されるか, その個数を計測します. 検出器には シンチレーション が使われます. すなわち, 検出器の窓に張られた 蛍光物質の発光の 個数を数えるわけです. |
次に,
上図 (B) のような
装置で,同じα 線源から
単位時間内に
放射される全電荷を
測定し,α 粒子の個数
で割れば,α 粒子1個
当たりの電荷が
得られます.
このようにして
α 粒子の電荷 = +2e (e = 電気素量) であることがわかりました. したがって,α 粒子は ヘリウム原子が 2個の電子を失った ヘリウム・イオン ではないかと 推定されました. この推定が正しいことは ラザフォード (イギリス: 1871 - 1937) とロイドによって 確かめられました(1908). そのとき使われた 実験装置の概略は 下図の通りです. |
真空のガラス容器 B
の中の
A の位置に,
非常に薄いガラス管内に
放射性物質 (気体) が
水銀 M 2で
圧力をかけて
封入されて置かれています.
放射性物質
から放射されたα 粒子は
薄いガラス管を
透過して,外側の
ガラス容器 Bに
たまります.
数日間放置した後,
水銀容器 M 1を
引き上げて,
B 内にたまった
気体を最上部の
細い管 V に
導き,電極に電圧をかけて
放電させ,
スペクトルを
観測したところ,
ヘリウムと同じ
スペクトルが
得られ,
B 内にたまった
気体はヘリウム・ガス
であることが
確認されました.
つまり,A から B へ出てきた α 粒子は 周囲から 2個の電子を捕獲して ヘリウム原子に なったわけです. このようにして, α 粒子は2価のヘリウム・イオン である ことが 確認されました. |
念のため, ガラス管 A の中の放射性ガスの 代わりに, ヘリウム・ガスを入れてみました. このときには, 数日放置しておいても 外側のガラス容器 B 内には ヘリウムは現れませんでした. つまり,ガラス管 A の薄い壁を α 線は通すけれども, ヘリウム・ガスは通しません. なぜか考えてみましょう. |
「原子によるα 線の散乱」
原子にα 線を衝突させる 実験は,ラザフォードの 指導のもとに,彼の 研究室で行われました. ガイガー (ドイツ: 1882 - 1945) と マースデン (イギリス) は,ラジウムから放出される α 粒子を薄い金属箔にあて, その影響をしらべる 実験を行いました(1909). 実験の概要は 下図 (A), 実験装置は 下図 (B) の通りです. |
上図 において,
真空の散乱槽 の中で
α 線源 R から出た
高速のα 粒子は,
中央の金属箔 F
に当たり,いろいろな
角度に散乱されます.
これを蛍光物質 S
を前面に置いた
顕微鏡 M で
観測します.
α 粒子が S にあたったときの
シンチレーション
(発光) を顕微鏡で
観測するわけです.
これにより,
どの角度に何個の
割合で散乱されるか
計測できます.
ガイガーとマースデンの 実験の結果, 衝突したα 粒子の 大部分はまっすぐ 前方に直進しますが, ごくたまに 90°以上にもなる 大きな角度に 散乱されるα 粒子が あることが わかりました. |
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