ブドウパンモデルとラザフォードの原子模型

ショートカット: 違い、類似点、ジャカード類似性係数、参考文献。

ブドウパンモデルとラザフォードの原子模型の違い

ブドウパンモデル vs. ラザフォードの原子模型

原子のブドウパンモデルの模式図。トムソンの数理モデルでは、"corpuscles"（電子）が無作為ではなく回転する環にそって配置されている。 ブドウパンモデルまたはプラムプディングモデル（plum pudding model）とは、原子の内部構造に関する原子模型の一つ。J・J・トムソンが、（まだ原子核が発見されていなかった）1904年に発表したモデルが特に知られる。この模型では、正の電荷のスープの中に負の電荷を持った微粒子が散らばっていて、全体として電荷の均衡が保たれているとしている。ちょうどプラムの果実が負の電荷を持つ粒子で、それが正の電荷を持つ「プディング」に取り囲まれているようであることから「プラムプディングモデル」と名付けられた。日本では当時「プラム」も「プディング」もなじみがなかったため「ブドウパン」と訳された。 トムソンのモデルでは、電子は原子内で静止しているわけではなく、環状の軌道を描いて運動しているとされた。単純化のために、軌道は平面上の同心円環に限定されたヘリガ・カーオ「20世紀物理学史」　名古屋大学出版会。一例を挙げると、電子数37の原子では、4つの同心円環に内側から1、8、12、16個の電子が入る。円軌道を描く電子は電磁波を放射してエネルギーを失うが、電子数が増えるにつれて放射が劇的に減少するため、力学的にも放射的にも安定とされた（1904年当時、物質中の電子数は分かっておらず、水素原子にも数千個の電子がある可能性が考えられていた）。 それまでトムソンは原子が非物質的な渦巻で構成されているとする「星雲原子 (nebular atom)」仮説を提唱していた。ブドウパンモデルでは負の電荷を持つ微粒子が導入されたものの、正の電荷を担っているのが何なのかがわからず、相変わらず星雲のようなあやふやな定義に留まっていた。 トムソンのモデルは1904年から1910年までの時期でもっとも人気のあった原子モデルだった。その理由の一つとして、このモデルは、当時提唱されていた正の中心核をもつ原子模型と比較すると、安定性が高かった吉田伸夫「光の場、電子の海―量子場理論への道」　新潮社。例えば、中心核をもつモデルでは、軌道が乱れると徐々にエネルギーを失って核と電子が合体してしまうが、ブドウパンモデルでは軌道が崩れても周囲からエネルギーを吸収して再び安定軌道に戻ることができる。 1904年のトムソンのモデルは、1909年のガイガー＝マースデンの実験で反証（ラザフォード散乱）が示され、1911年にアーネスト・ラザフォードがその解釈をする過程で否定された。すなわち、原子には非常に小さな核となる部分があり、そこに正の電荷が集中していることがわかった（金の場合、電子約100個に対応する正の電荷があることが判明した）。これによりラザフォードの原子模型が新たに提唱された。1913年、ヘンリー・モーズリーが原子核の電荷と原子番号が非常に近いことを示し、Antonius Van den Broek が原子番号は原子核の電荷と等しいということを示唆した。同年、ボーアの原子模型が提唱され、原子番号と等しい正の電荷を持つ原子核の周りをそれと同じ個数の電子が球状の軌道殻上で運動しているという原子模型が確立された。 トムソンの原子模型はイギリスの伝統的な菓子であるプラムプディングのようであることから、そのように名付けられた（トムソン本人の命名ではない）。トムソンの論文は1904年3月、学術雑誌 Philosophical Magazine に掲載された。トムソンは次のように記している。 トムソンの原子模型では、電子は正に帯電した球形の雲の中を動き、電子が大きな軌道を描くとその内側の正の電荷の量が大きくなるため、内側に引っ張られる力が強くなり、軌道が安定するとされている。また電子は環状の軌道を描いて運動しており、電子同士の相互作用でさらに軌道が安定するとされる。トムソンはいくつかの元素の既知の主要なスペクトル線をこの模型で説明しようとしたが、あまりうまくいかなかった。また、2次元平面上の電子の運動を、3次元へ拡張することは数学的に難しく実行できなかった。いずれにしてもトムソンのブドウパンモデル（および同じ1904年に長岡半太郎が提唱した土星型原子模型）は、後のボーアの原子模型へと至る重要な一歩だったと言える。 トムソンのモデルは、正電荷が連続的に広がっていることを除けば土星型モデルに似ており、ブドウパン（やプラムプディング）の語感から受ける、粒子が乱雑に分布している印象とは異なっているアルベルト・マルチネス「ニュートンのりんご、アインシュタインの神: 科学神話の虚実」　青土社。そのため「ブドウパン」や「プラムプディング」という呼び方は不適切と評されることもある。1900年頃に発表されたケルビン卿の原子モデルは、より右上図のようなブドウパン（やプラムプディング）に近いモデルである。. ラザフォードの原子模型は、アーネスト・ラザフォードが提案した原子の内部構造に関する原子模型。惑星モデルとも。ラザフォードは1909年に有名なガイガー＝マースデンの実験を指揮し、1911年にこの原子模型を発表。J・J・トムソンの「ブドウパンモデル」が正しくないと示唆した。実験結果に基づき、従来よりも小さな中心核（すなわち原子核）に原子量の大部分と電荷が集中しているとした原子模型である。 ラザフォードの原子模型では、原子内での電子構造については何も進展していなかった。その点についてラザフォードは単に、太陽の周りを回る惑星のように多数の小さな電子が中心核の周囲を回っているか、土星の輪のように回っているという従来からあった原子模型について言及しているだけである。しかし、より小さな中心核に質量のほとんどが集中しているとしたことで太陽系との類似点が大きくなり、従来よりも太陽と惑星の比喩が的確となった。.

原子

原子（げんし、άτομο、atom）という言葉には以下の3つの異なった意味がある。.

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原子核

原子核（げんしかく、atomic nucleus）は、単に核（かく、nucleus）ともいい、電子と共に原子を構成している。原子の中心に位置する核子の塊であり、正の電荷を帯びている。核子は、基本的には陽子と中性子から成っているが、通常の水素原子（軽水素）のみ、陽子1個だけである。陽子と中性子の個数、すなわち質量数によって原子核の種類（核種）が決まる。 原子核の質量を半経験的に説明する、ヴァイツゼッカー＝ベーテの質量公式（原子核質量公式、他により改良された公式が存在する）がある。.

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原子模型

原子模型（げんしもけい、atomic theory, atomic model）とは、原子の内部の構造についてのモデルである。.

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ラザフォード散乱

ラザフォード散乱（ラザフォードさんらん、Rutherford scattering）とは、クーロン相互作用による荷電粒子間のを言う。1911年、アーネスト・ラザフォードにより説明された物理現象であり、ボーア模型の先駆けとなったラザフォードの惑星型原子模型の発展につながった。現在では、ラザフォード後方散乱分光という元素組成分析手法に利用されている。ラザフォード散乱は、静電気力（クーロン力）のみに依存し、粒子間の最接近距離はクーロンポテンシャルのみにより決定されるため、初めはクーロン散乱と呼ばれた。古典的なアルファ粒子の金原子核によるラザフォード散乱においては、散乱された後の粒子の持つエネルギーと速度が散乱前と変わらないので、「弾性散乱」の例といえる。.

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ボーアの原子模型

ボーアの原子模型（ボーアのげんしもけい、Bohr's model）とは、ラザフォードの原子模型長岡半太郎の原子模型を発展させたものであるといわれる。のもつ物理学的矛盾を解消するために考案された原子模型である。この模型は、水素原子に関する実験結果を見事に説明し、量子力学の先駆け（前期量子論）となった。.

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ヘンリー・モーズリー (物理学者)

ヘンリー・グウィン・ジェフリーズ・モーズリー（Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1887年11月23日 - 1915年8月10日）は、イギリスの物理学者である。元素の特性X線の波長との原子核の電荷（原子番号）の関係を見出した。この発見によって原子番号の物理的意味が明らかになり、周期表の未発見の元素を予測するなどが可能となった。.

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アーネスト・ラザフォード

初代ネルソンのラザフォード男爵アーネスト・ラザフォード（Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson, OM, FRS, 1871年8月30日 - 1937年10月19日）は、ニュージーランド出身、イギリスで活躍した物理学者、化学者。 マイケル・ファラデーと並び称される実験物理学の大家である。α線とβ線の発見、ラザフォード散乱による原子核の発見、原子核の人工変換などの業績により「原子物理学の父」と呼ばれる。 1908年にノーベル化学賞を受賞。ラザフォード指導の下、チャドウィックが中性子を発見、コッククロフトとウォルトンが加速器を使った元素変換の研究、エドワード・アップルトンが電離層の研究でノーベル賞を受賞している。後にラザホージウムと元素名にも彼は名を残している。.

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ガイガー＝マースデンの実験

イガー＝マースデンの実験 (ラザフォードの散乱実験とも呼ばれる) は画期的な一連の実験であり、すべての原子には、正（プラス）に帯電しほとんどの質量が集中している原子核があることが発見された。このことは、アルファ粒子を金属箔に当てたときの散乱の様子から分かった。実験は1908年から1913年まで、マンチェスター大学の物理学研究室でアーネスト・ラザフォードの指導の下でハンス・ガイガーとによって行われた。.

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ジョゼフ・ジョン・トムソン

ー・ジョゼフ・ジョン・トムソン（Sir Joseph John Thomson, 1856年12月18日-1940年8月30日）は、イギリスの物理学者。しばしばJ.

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長岡半太郎

長岡 半太郎（ながおか はんたろう、1865年8月19日（慶応元年6月28日） - 1950年（昭和25年）12月11日）は、日本の物理学者。土星型原子モデル提唱などの学問的業績を残した。また、東京帝国大学教授として多くの弟子を指導し、初代大阪帝国大学総長や帝国学士院院長などの要職も歴任した。1937年（昭和12年）、第一回文化勲章受章。正三位勲一等旭日大綬章追贈。.

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