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ラザフォード散乱と原子

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ラザフォード散乱と原子の違い

ラザフォード散乱 vs. 原子

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。. 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。.

ラザフォード散乱と原子間の類似点

ラザフォード散乱と原子は(ユニオンペディアに)共通で14ものを持っています: 原子核ラザフォードの原子模型ボーアの原子模型ブドウパンモデルアーネスト・ラザフォードクーロンの法則ジョゼフ・ジョン・トムソン質量質量数電荷陽子水素1911年1913年

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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ラザフォードの原子模型

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。.

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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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ブドウパンモデル

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。.

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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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クーロンの法則

ーロンの法則(クーロンのほうそく、Coulomb's law)とは、荷電粒子間に働く反発し、または引き合う力がそれぞれの電荷の積に比例し、距離の2乗に反比例すること(逆2乗の法則)を示した電磁気学の基本法則。 ヘンリー・キャヴェンディッシュにより1773年に実験的に確かめられ、シャルル・ド・クーロンが1785年に法則として再発見した。磁荷に関しても同様の現象が成り立ち、これもクーロンの法則と呼ばれる。一般的にクーロンの法則と言えば、通常前者の荷電粒子間の相互作用を指す。クーロンの法則は、マクスウェルの方程式から導くことができる。 また、導体表面上の電場はその場所の電荷密度に比例するという法則も「クーロンの法則」と呼ばれる。こちらは「クーロンの電荷分布の法則」といい区別する。.

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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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質量

質量(しつりょう、massa、μᾶζα、Masse、mass)とは、物体の動かしにくさの度合いを表す量のこと。.

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質量数

質量数(しつりょうすう、mass number)は、原子核を構成する陽子と中性子の数を合わせたものを言う長倉三郎ほか編、『』、岩波書店、1998年、項目「質量数」より。ISBN 4-00-080090-6。通常、Aで表す。 同位体や核種を区別するときに用いられることが多い。元素記号の左肩に示す。たとえば、質量数12の炭素の場合は、 と表す。 同じ原子番号であるが質量数(すなわち中性子数)が異なる原子は同位体である。これに対して同じ質量数であるが原子番号(すなわち陽子数)が異なる原子を同重体、中性子数が同じであるが原子番号が異なるものを同中性子体(同調体)という。 質量数は原子核自体の質量とは別物である為、実際の数値はほとんど変わらないもののごく僅か異なる。実際の計算では質量数を質量として用いる事も多い。核子一つ一つの質量と電子の質量の総和より、実際の原子の質量の方が僅かに少なくこの差が質量欠損である。 またある中性原子の質量を原子質量単位を用いて表した質量をM、質量数をAとしたとき、その差の核子1個あたりの値 をパッキングフラクション(packing fraction)という。繰り返すがこれらは全て実際の質量とはほとんど等しいが正確には僅かに異なる。.

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電荷

電荷(でんか、electric charge)は、素粒子が持つ性質の一つである。電気量とも呼ぶ。電荷の量を電荷量という。電荷量のことを単に電荷と呼んだり、電荷を持つ粒子のことを電荷と呼んだりすることもある。.

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陽子

陽子(ようし、())とは、原子核を構成する粒子のうち、正の電荷をもつ粒子である。英語名のままプロトンと呼ばれることも多い。陽子は電荷+1、スピン1/2のフェルミ粒子である。記号 p で表される。 陽子とともに中性子によって原子核は構成され、これらは核子と総称される。水素(軽水素、H)の原子核は、1個の陽子のみから構成される。電子が離れてイオン化した水素イオン(H)は陽子そのものであるため、化学の領域では水素イオンをプロトンと呼ぶことが多い。 原子核物理学、素粒子物理学において、陽子はクォークが結びついた複合粒子であるハドロンに分類され、2個のアップクォークと1個のダウンクォークで構成されるバリオンである。ハドロンを分類するフレーバーは、バリオン数が1、ストレンジネスは0であり、アイソスピンは1/2、超電荷は1/2となる。バリオンの中では最も軽くて安定である。.

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水素

水素(すいそ、hydrogenium、hydrogène、hydrogen)は、原子番号 1 、原子量 1.00794の非金属元素である。元素記号は H。ただし、一般的には「水素」と言っても、水素の単体である水素分子(水素ガス) H を指していることが多い。 質量数が2(原子核が陽子1つと中性子1つ)の重水素(H)、質量数が3(原子核が陽子1つと中性子2つ)の三重水素(H)と区別して、質量数が1(原子核が陽子1つのみ)の普通の水素(H)を軽水素とも呼ぶ。.

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1911年

記載なし。

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1913年

記載なし。

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ラザフォード散乱と原子の間の比較

原子が121を有しているラザフォード散乱は、51の関係を有しています。 彼らは一般的な14で持っているように、ジャカード指数は8.14%です = 14 / (51 + 121)。

参考文献

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