ラザフォードの原子核の発見

二十世紀の初め、原子が何でできているかはまだ誰にも分かっていなかった。1897年にイギリスのJ・J・トムソンが電子を見つけ、原子は負の電気を帯びた小さな粒を含むことがはっきりした。原子全体は電気的に中性なので、どこかに正の電気がなければならない。トムソンは、正の電気が原子全体に薄く広がり、その中に電子が散らばっている姿を考えた。干しぶどう入りのプディングにたとえられる模型である。東京の長岡半太郎は、正の電気の周りを電子が土星の環のように回る模型を出していたが、力学的に不安定だとして顧みられなかった。

これに決着をつけたのが、マンチェスター大学のアーネスト・ラザフォードの研究室である。ラザフォードはニュージーランド生まれの物理学者で、放射線にアルファ線とベータ線の区別があることを見つけ、放射能が原子の崩壊であることを示して、1908年にノーベル化学賞を受けていた。アルファ粒子は、ラジウムなどの放射性元素から飛び出す正の電気を帯びた粒で、のちにヘリウムの原子核だと分かる。ラザフォードは、ラジウムの発見で知られるようになったこの元素から出る粒を弾丸のように使って、物の中を探ろうとした。

実験を受け持ったのは、ドイツから来た助手ハンス・ガイガーと、学部生のアーネスト・マースデンだった。彼らは薄く延ばした金箔にアルファ粒子を当て、その先に置いた蛍光板に粒が当たるときの小さな光を、暗い部屋で顕微鏡をのぞいて一つずつ数えた。金を選んだのは、どの金属よりも薄く延ばせるからである。トムソンの模型が正しければ、アルファ粒子はほとんど曲がらずに箔を抜けるはずだった。

1909年、ガイガーとマースデンは、ごく一部の粒が大きく曲げられ、90度より大きく跳ね返ってくることを見つけた。その割合はおよそ8000個に1個だった。少ないとはいえ、トムソンの模型では説明できない数である。ラザフォードは後年の講演で、15インチ砲の砲弾を薄紙に撃ったら跳ね返ってきて自分に当たったようなもので、生涯でいちばん信じがたいできごとだった、と語っている。ただし、彼はそれ以前の実験からこの結果をある程度予想していたとも言われ、この驚きの話はいくらか脚色されているとする見方もある。

ラザフォードは計算を重ね、1911年に論文を発表した。原子の正の電気と質量のほとんどは、原子全体よりはるかに小さい中心の一点に集まっている。アルファ粒子の大半はそこから遠くを通るので素通りし、たまたま中心のすぐそばを通ったものだけが強く弾かれる。こう考えれば、曲がる角度ごとの粒の数まで説明できた。ガイガーとマースデンは1913年までに、箔の厚さや金属の種類、粒の速さを変えて、この式が成り立つことを確かめた。ラザフォードは1912年ごろからこの中心を核と呼ぶようになり、1913年には核が正の電気を帯びていることを示した。

発表された当初、この論文はさほど注目されなかった。原子の中で電子がどう配置されているのかには、ほとんど触れていなかったからである。流れを変えたのは、1912年にマンチェスターに来たデンマークの若い物理学者ニールス・ボーアだった。ボーアは核の周りを電子が回る姿に量子の考えを持ち込み、翌1913年に新しい模型を発表した（ボーアの原子模型）。小さな核の周りを電子が回る原子の姿は、ここで初めて化学や光の性質と結びついた。

核の発見は、新しい学問である原子核物理学の出発点になった。核の中身を問う研究は、1932年の中性子の発見、1938年の核分裂の発見へと続き、やがて原子力と原子爆弾につながっていく。粒を当てて、その散らばり方から見えない中身を知るという方法そのものも、今日の素粒子物理学の基本の道具になっている。長岡半太郎は1911年、東京からラザフォードに手紙を書き、装置の簡素さと結果の見事さに打たれたと伝えた。