The Atomic Model

いったんすべての物質には負電荷の電子があると結論づけると、電気的に中性である原子には、負電荷とのバランスをとるために正電荷も必要だということがわかってきました。 トムソンは、プラムプディングのレーズンやクッキーのチョコチップのように、電子はプラス電荷と原子の質量の大部分を含む均一な球に埋め込まれていると提案しました（図㊦）

2.4.6

Figure \(\PageIndex{9}): Thomson’s Plum Pudding or Chocolate Chip Cookie Model of the Atom. このモデルでは、電子は正電荷の均一な球に埋め込まれている。 Image used with Permission (CC BY-SA-NC).

しかし、ラザフォードはある有名な実験で、トムソンの原子のモデルが間違っていることを明確に示した。 ラザフォードはα粒子の流れを非常に薄い金箔の標的に向け(図)、α粒子が金箔によってどのように散乱されるかを調べた( \PageIndex{10a}) 金箔を選んだのは、原子の数を少なくするため、極薄に打ち抜くことができたからです。 トムソンの原子の模型が正しければ、正電荷を帯びたα粒子は、木造家屋の側面を貫通する砲弾のように、均一に分布する金ターゲットの質量を突き抜けていくはずである。 ラザフォードが驚いたのは、ごく一部のα粒子が大きな角度で屈折し、一部はそのまま反射して戻ってきたことである（図(C))。 ラザフォードによると、「15インチの砲弾をティッシュペーパーに向けて撃ったら、それが自分に返ってきたのと同じくらいすごいことだ」

2.4.7

図 ㊦(\PageIndex{10}): ラザフォードの実験の概要。 (a)薄い金箔をターゲットにしたα粒子の流れの偏向を検出するためにラザフォードが使用した装置の図。 粒子はラジウムのサンプルによって生成された。 (b) もしトムソンの原子のモデルが正しければ、α粒子は金箔をまっすぐ通過するはずであった。 (c) しかし、少数のα粒子は様々な方向に偏向され、その中には発生源に戻るものもあった。 これは、正電荷がα粒子よりもずっと重い場合にのみ起こり得ることである。 これは、金原子の質量が、彼が核と呼ぶ非常に小さな領域に集中していることを示唆するものであった。 Image used with Permission (CC BY-SA-NC).

ラザフォードの結果は、質量と正電荷が原子の体積全体に一様に分布するモデルとは一致しなかった。 その代わりに、質量と正電荷の両方が原子の体積のごく一部に集中していることを強く示唆した。この部分をラザフォードは原子核と呼んだ。 そのため、ごく一部のα粒子は、正電荷を帯びた高密度の原子核と衝突し、大きく偏向するか、あるいはほぼ正面から衝突して、源にまっすぐ反射されることが理解できたのです。

ラザフォードは、複数の正電荷を持つ原子核の正電荷間の反発によって原子核が崩壊しない理由を説明できませんでしたが、負電荷の電子間の反発によって電子が原子全体に均一に分布することを推理しました。 ラザフォードは、この発見とその他の洞察により、1908年にノーベル化学賞を受賞した。 しかし、ラザフォードは、化学より物理学の方が優れていると考えていたため、物理学賞を受賞することを望んでいた。 彼の考えでは、「すべての科学は物理学か切手収集である」

2.4.8

Figure \(\PageIndex{11}): 原子の構成要素と構造に関するモデルの歴史的発展の概要。 括弧内は主要な実験が行われた年。 Image used with Permission (CC BY-SA-NC).

原子の構造に関するさまざまなモデルの歴史的展開をまとめると、次のようになります（図(㊤)）。 ラザフォードは、水素原子の原子核が正電荷を帯びた粒子であることを立証し、1920年に陽子という名称を作り出しました。 そして、水素以外の元素の原子核には、陽子とほぼ同じ質量の電気的に中性の粒子が存在するはずだと示唆した。 しかし、中性子が発見されたのは、1932年にジェームス・チャドウィック（1891-1974、ラザフォードの弟子、1935年ノーベル物理学賞受賞）が発見してからのことである。 ラザフォードの研究の結果、α粒子は陽子と中性子を2つずつ含むことが明らかになり、それがヘリウム原子の原子核となった。 酸素原子のモデルで見る原子論の変遷。 ボーアのモデルと現在のモデルは、第6章 “原子の構造 “で説明されている。 Image used with Permission (CC BY-SA-NC).

ラザフォードの原子のモデルは、電子が原子の体積に一様に分布していないことが現在知られていることを除けば、基本的に現代のモデルと同じである。 その代わり、電子は量子力学によって記述された一連の原理に従って分布している。 図に、原子のモデルが、ダルトンの不可分の単位から、今日教えられている現代的な見解に至るまで、どのように進化してきたかを示します。