中性子の発見

ラザフォードの原子核の発見によって、原子の中心に小さく重い核があることが分かった。だが、その核が何でできているかは謎だった。1920年ごろまでに、水素の原子核が正の電気を帯びた粒、陽子であることが分かり、元素の原子の重さは水素のほぼ整数倍であることも知られていた。たとえば窒素の核は水素の14倍ほど重いのに、電気は7倍しかない。そこで多くの学者は、核の中には重さの数だけ陽子があり、余分な電気を打ち消すだけの電子も入っていると考えた。

ラザフォードは1920年、王立協会での講演で、陽子と電子が固く結びついた、電気を持たない粒が核の中にあるかもしれないと述べた。この粒はやがて中性子と呼ばれるようになる。ケンブリッジ大学のキャヴェンディッシュ研究所で、ラザフォードと弟子のジェームズ・チャドウィックはこの粒を探し始めたが、1920年代を通じて見つからなかった。電気を持たない粒は、物質の中を通ってもほとんど跡を残さず、当時の装置では捉えにくかったのである。

その間に、陽子と電子でできた核という考えは、あちこちで食い違いを見せ始めた。窒素の核の回転の性質を測ると、陽子14個と電子7個の組み合わせでは説明がつかなかった。量子力学の不確定性原理に照らすと、核のような狭い場所に電子を閉じ込めるには、とてつもないエネルギーが要ることも分かってきた。

手がかりは思わぬところから来た。1930年、ドイツのボーテとベッカーは、ポロニウムから出るアルファ粒子をベリリウムに当てると、非常に透過力の強い放射が出ることを見つけた。電場で曲がらないので、強いガンマ線だと考えられた。1932年1月、パリのイレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオの夫妻は、この放射をパラフィンに当てると、高いエネルギーの陽子がはじき出されることを報告した。だが、ガンマ線でこれほど重い陽子を弾き飛ばすには、ありえないほど大きなエネルギーが要る。

パリの報告を読んだチャドウィックは、ガンマ線説を疑い、すぐに実験に取りかかった。ベリリウムから出る放射をパラフィンやさまざまな気体に当て、はじき出された陽子や窒素の核がどれだけ遠くまで飛ぶかを測った。その結果から、この放射の正体は、陽子とほぼ同じ重さを持ち、電気を持たない粒だと結論した。彼は1932年2月、『ネイチャー』誌に、中性子が存在する可能性と題する短い報告を送り、続いて詳しい論文を王立協会の紀要に発表した。チャドウィックは、この発見で1935年のノーベル物理学賞を受けた。

発見から数か月のうちに、ヴェルナー・ハイゼンベルクやソ連のイワネンコは、原子核は陽子と中性子でできているという模型を出した。窒素の核なら陽子7個と中性子7個である。これで核の中の電子という厄介な考えは要らなくなり、同じ元素で重さの違う同位体も、中性子の数の違いとして説明できるようになった。核の中で陽子と中性子を結びつける力を説明しようとして、1935年に湯川秀樹が中間子論を唱えたのも、この流れの中にある。

中性子は、核を調べる新しい道具にもなった。電気を持たないので、正の電気を帯びた核に反発されずに近づける。ローマのフェルミのグループは、中性子を当ててさまざまな元素を放射性に変え、中性子をパラフィンに通して遅くすると反応が起きやすくなることを見つけた。ベルリンでウランに中性子を当てる実験を続けたハーンらは、1938年に核分裂を見つけた（核分裂の発見）。1932年のキャヴェンディッシュ研究所では、中性子のほかにも加速器による原子核の人工的な破壊が成功し、同じ年には陽電子も見つかって、原子核物理学の奇跡の年と呼ばれた。中性子の発見からわずか13年後には、中性子が引き起こす連鎖反応が原子爆弾として使われることになる（シカゴ・パイル1号）。