ガイガーマースデン実験

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ガイガーマースデン実験（ラザフォードゴールドフォイル実験とも呼ばれます）は、すべての原子にすべての正電荷とほとんどの質量が集中している原子核があることを科学者が学んだ画期的な一連の実験でした。彼らは、アルファ粒子ビームが薄い金属箔に当たったときにどのように散乱するかを測定した後、これを推測しました。実験は、1908年から1913年にかけて、ハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンがアーネスト・ラザフォードの指導の下で実施しました。マンチェスター大学の物理研究所で。
ガイガーマースデンの装置の1つのレプリカ

コンテンツ
1 概要
1.1 原子構造の現代理論 1.2 プラムプリンモデルの意味 1.3 実験の結果
2 タイムライン
2.1 バックグラウンド 2.2 1908年の実験 2.3 1909年の実験 2.4 1910年の実験 2.5 ラザフォードは散乱パターンを数学的にモデル化します 2.62.6 1913年の実験 2.7 ラザフォードは、核が正に帯電していると判断しました
3 遺産
4 も参照してください
5 参考文献
5.1 参考文献
6 外部リンク

概要

原子構造の現代理論

トムソンによって構想された、原子のプラムプディングモデル。
ラザフォードの実験時の原子構造の一般的な理論は「プラムプディングモデル」でした。このモデルはケルビン卿によって考案され、 JJトムソンによってさらに開発されました。トムソンは電子を発見し、すべての原子が正電荷の球体であり、その全体に電子が分布していると信じていました。これは、クリスマスプディングのレーズンのようなものです。陽子と中性子の存在は、現時点では不明でした。彼らは原子が非常に小さいことを知っていました（ラザフォードはそれらが半径10-8mのオーダーであると仮定しました）。このモデルは完全に古典（ニュートン）物理学に基づいていました。現在受け入れられているモデルは量子力学を使用しています。
トムソンのモデルは、ラザフォードの実験の前でさえ、普遍的に受け入れられていませんでした。トムソン自身は、彼のコンセプトの完全で安定したモデルを開発することはできませんでした。日本の科学者長岡半太郎は、反対の容疑が互いに侵入できないという理由でトムソンのモデルを拒否した。彼は代わりに、電子が土星の周りの環のように正電荷を周回することを提案した。

プラムプリンモデルの意味
アルファ粒子は、超顕微鏡的で正に帯電した物質の粒子です。トムソンのプラムプディングモデルによると、アルファ粒子が原子と衝突した場合、それはまっすぐに飛んでいき、その経路はせいぜい数分の1度だけ偏向します。原子スケールでは、「固体」の概念は無意味です。トムソン原子は正電荷の球体であり、その質量によって所定の位置に固定されています。したがって、アルファ粒子はボールのように原子から跳ね返ることはありませんが、原子の電場がそれを可能にするのに十分弱い場合は、すぐに通過する可能性がトムソンのモデルは、原子内の電場が弱すぎて通過するアルファ粒子に大きな影響を与えることができないと予測しました（アルファ粒子は非常に速く移動する傾向があります）。トムソン原子内の負電荷と正電荷の両方が、原子の体積全体に広がっています。クーロンの法則によれば、電荷の球が集中していないほど、その表面での電界は弱くなります。

実例として、金原子のエッジに沿って通過するアルファ粒子を考えてみましょう。アルファ粒子は、最も強い電場を経験し、したがって最大のたわみθを経験します。電子はアルファ粒子に比べて非常に軽いため、その影響は無視できます。したがって、原子は正電荷の重い球体と見なすことができます。
Qn =金原子の正電荷=
79 e =
1.266 × 10-17C _ _
Qα =アルファ粒子の電荷=
2 e =
3.204 × 10−19 C _
r =金原子の半径=
1.44 × 10-10m _ _
vα =アルファ粒子の速度=
1.53 × 107m / s
mα =アルファ粒子の質量=
6.645 × 10−27 kg _
k =
クーロン定数=
8.998 × 109N・ m2 / C 2
古典物理学を使用すると、運動量Δpのアルファ粒子の横方向の変化は、力積の関係とクーロン力の式を使用して近似できます。Δ p = F Δ t= k ⋅ Q α Q n 2 2 r v α { Delta p = F Delta t = k cdot { frac {Q _ { alpha} Q_ {n}} {r ^ {2}}} cdot { frac {2r} {v _ { alpha }}}}

θ ≈ Δ p p <
k⋅ 2 Q α Q nm α r v α
2= 8.998
⋅10 9
×× 2 ××3.204 ⋅ 10 − 19
××1.266 ⋅ 10 − 17 .645⋅ 10 − 27
××1.44 ⋅ 10 − 10 ×× （（ 1.53
⋅10 7
）。 2 { theta approx { frac { Delta p} {p}}
θ < 0.000326 r a d （（ o r 0.0186 ∘ ）。 { theta <0.000326〜 mathrm {rad}〜（ mathrm {または}〜0.0186 ^ { circ}）}
上記の計算は、アルファ粒子がトムソン原子に近づいたときに何が起こるかを概算したものにすぎませんが、たわみはせいぜい1度のごく一部のオーダーになることは明らかです。アルファ粒子が厚さ約4マイクロメートル（2，410原子）の金箔を通過し、同じ方向に最大のたわみを経験した場合（ありそうもない）、それでも小さなたわみになります。

実験の結果

左：トムソンのモデルが正しければ、すべてのアルファ粒子は最小限の散乱でフォイルを通過するはずでした。
右：ガイガーとマースデンが観察したのは、アルファ粒子のごく一部が強いたわみを経験したということでした。
ラザフォードの要請で、ガイガーとマースデンは一連の実験を行い、アルファ粒子のビームを金属の薄い箔に向け、 Crookes、Elster、およびGeitelによって考案されたシンチレーション法を使用して測定しました。蛍光スクリーンの使用による散乱パターン。彼らは、金属箔からすべての方向に跳ね返るアルファ粒子を発見しました。トムソンのモデルによれば、これは不可能だったはずです。アルファ粒子はすべてまっすぐに通過しているはずです。明らかに、これらの粒子は、トムソンのモデルが示唆したよりもはるかに大きな静電力に遭遇していました。さらに、アルファ粒子のごく一部だけが90°以上偏向しました。ほとんどがたわみを無視してホイルを真っ直ぐ飛んだ。
この奇妙な結果を説明するために、ラザフォードは、原子の正電荷がその中心にある小さな原子核に集中していることを想像しました。これは、原子の体積の大部分が空の空間であることを意味します。
タイムライン編集

バックグラウンド

アーネスト・ラザフォード

ハンス・ガイガー

アーネスト・マースデン
アーネスト・ラザフォードは、マンチェスターのビクトリア大学（現在はマンチェスター大学）のラングワーシー物理学教授でした。彼はすでに放射線の研究で多くの栄誉を受けていました。彼は、アルファ線、ベータ線、およびガンマ線の存在を発見し、これらが原子の崩壊の結果であることを証明しました。1906年、彼はハンスガイガーというドイツの物理学者から訪問を受け、非常に感銘を受けたため、ガイガーに滞在して研究を手伝ってもらうよう依頼しました。アーネスト・マースデンは、ガイガーの下で勉強している物理学の学部生でした。
アルファ粒子は、ウランやラジウムなどの特定の物質によって自発的に放出される小さな正に帯電した粒子です。ラザフォードは1899年にそれらを発見しました。1908年に、彼はそれらの電荷対質量比を正確に測定しようとしていました。これを行うには、最初に、ラジウムのサンプルが放出しているアルファ粒子の数を知る必要がありました（その後、それらの総電荷を測定し、一方を他方で除算します）。アルファ粒子は小さすぎて顕微鏡で見ることはできませんが、ラザフォードはアルファ粒子が空気分子をイオン化することを知っていました。空気が電界内にある場合、イオンは電流を生成します。この原理に基づいて、ラザフォードとガイガーは、ガラス管内の2つの電極で構成される単純なカウントデバイスを設計しました。管を通過したすべてのアルファ粒子は、数えることができる電気のパルスを生成します。これはガイガーカウンターの初期バージョンでした。
ガイガーとラザフォードが構築したカウンターは、アルファ粒子が検出チャンバー内の空気の分子との衝突によってあまりにも強く偏向されていたため、信頼性が低いことが判明しました。アルファ粒子の軌道は非常に変化しやすいため、ガスを通過したときにすべてが同じ数のイオンを生成するわけではないため、読み取り値が不規則になります。これはラザフォードを困惑させました。なぜなら、彼はアルファ粒子が重すぎてそれほど強く偏向できないと思っていたからです。ラザフォードはガイガーに、どれだけの物質がアルファ線を散乱させることができるかを調査するように頼んだ。
彼らが設計した実験では、金属箔にアルファ粒子を衝突させて、箔がそれらの厚さと材料に関連してどのように散乱するかを観察しました。彼らは、蛍光スクリーンを使用して粒子の軌道を測定しました。画面にアルファ粒子が衝突するたびに、小さな閃光が発生しました。ガイガーは、顕微鏡を使ってこれらの小さなシンチレーションを数えながら、暗くなった実験室で何時間も働いた。ラザフォードはこの仕事に対する忍耐力に欠けていた（彼は30代後半であった）ので、彼はそれを若い同僚に任せた。金属箔については、さまざまな金属をテストしましたが、金は非常に展性があるため、箔を非常に薄くすることができるため、金を好みました。アルファ粒子の供給源として、ラザフォードが選んだ物質は、ウランの数百万倍の放射性物質であるラドンでした。

1908年の実験

この装置は、ハンスガイガーによる1908年の論文に記載されています。数度のたわみしか測定できませんでした。
Geigerによる1908年の論文、On the Scattering ofα-ParticlesbyMatter、は、次の実験について説明しています。彼は長さ約2メートルの長いガラス管を作りました。チューブの一端には、アルファ粒子の供給源として機能する「ラジウム放射」（R）の量がありました。チューブの反対側の端は蓄光スクリーン（Z）で覆われていました。チューブの中央には幅0.9mmのスリットがありました。Rからのアルファ粒子がスリットを通過し、画面上に光る光のパッチを作成しました。顕微鏡（M）を使用して、画面上のシンチレーションをカウントし、その広がりを測定しました。ガイガーは、アルファ粒子が遮られないようにチューブからすべての空気を送り出し、スリットの形状に対応するすっきりとしたタイトな画像を画面に残しました。その後、ガイガーはチューブ内にいくらかの空気を入れ、光るパッチはより拡散しました。次にガイガーは空気を送り出し、AAのスリットの上に金箔を置きました。これもまた、画面上の光のパッチがより広がる原因となりました。この実験は、空気と固体の両方がアルファ粒子を著しく散乱させる可能性があることを示しました。しかしながら、装置は小さなたわみ角しか観察できなかった。ラザフォードは、アルファ粒子がさらに大きな角度（おそらく90°よりも大きい）で散乱されているかどうかを知りたがっていました。

1909年の実験

これらの実験では、放射線源（A）から放出されたアルファ粒子が、金属反射板（R）から鉛板（P）の反対側の蛍光スクリーン（S）に跳ね返るのが観察されました。
1909年の論文で、α粒子の拡散反射についてガイガーとマースデンは、アルファ粒子が実際に90°以上散乱できることを証明した実験について説明しました。彼らの実験では、「ラジウム放射」（ラドン）、「ラジウムA」（実際のラジウム）、および「ラジウムC」（ビスマス-214）を含む小さな円錐形のガラス管（AB）を準備しました。その開放端は雲母で密封されています。これが彼らのアルファ粒子エミッターでした。次に、鉛板（P）を設置し、その後ろに蛍光スクリーン（S）を配置しました。チューブはプレートの反対側に保持されていたため、放出されたアルファ粒子がスクリーンに直接当たることはありませんでした。いくつかのアルファ粒子が空気分子を跳ね返してプレートの周りを回ったため、彼らは画面上にいくつかのシンチレーションに気づきました。次に、鉛板の側面に金属箔（R）を配置しました。彼らは、アルファ粒子がそれから跳ね返ってプレートの反対側のスクリーンに当たるかどうかを確認するためにチューブをホイルに向け、スクリーン上のシンチレーションの数の増加を観察しました。シンチレーションを数えると、彼らは、金などの原子量の大きい金属が、アルミニウムなどの軽い粒子よりも多くのアルファ粒子を反射することを観察しました。
次にガイガーとマースデンは、反射されていたアルファ粒子の総数を推定したいと考えていました。以前の設定は、チューブにいくつかの放射性物質（ラジウムとその崩壊生成物）が含まれており、放出されるアルファ粒子の範囲がさまざまであり、チューブがアルファ粒子を放出する速度を確認することが困難であったため、これを行うには不適切でした。今回、彼らは少量のラジウムC（ビスマス-214）を鉛板に置き、鉛板はプラチナ反射板（R）からスクリーンに跳ね返りました。彼らは、反射板に当たったアルファ粒子のごく一部だけが画面に跳ね返ったことを発見しました（この場合、8，000分の1）。

1910年の実験

この装置は、ガイガーによる1910年の論文に記載されています。箔の材質や厚さによって散乱がどのように変化するかを正確に測定するように設計されています。
Geigerによる1910年の論文、 The Scattering of theα-ParticlesbyMatterは、α粒子が偏向する最も可能性の高い角度が、通過する物質によってどのように変化するかを測定しようとした実験について説明しています。前記材料の厚さ、およびアルファ粒子の速度。彼は気密ガラス管を作り、そこから空気を送り出しました。一方の端には、「ラジウム放射」（ラドン-222）を含む球根（B）がありました。水銀を使って、Bのラドンは、Aの端が雲母で塞がれている細いガラスパイプに汲み上げられました。チューブのもう一方の端には、蛍光硫化亜鉛スクリーン（S）がありました。彼がスクリーン上のシンチレーションを数えるために使用した顕微鏡は、バーニアで垂直ミリメートルスケールに取り付けられました。これにより、ガイガーは、光のフラッシュがスクリーン上のどこに現れたかを正確に測定し、粒子のたわみ角を計算することができました。Aから放出されたアルファ粒子はDの小さな円形の穴によってビームに狭められました。ガイガーはDとEの光線の経路に金属箔を置き、フラッシュのゾーンがどのように変化したかを観察しました。彼はまた、Aに雲母またはアルミニウムの余分なシートを配置することによってアルファ粒子の速度を変えることができました。
彼が行った測定から、ガイガーは次の結論に達しました。
最も可能性の高いたわみ角は、材料の厚さとともに増加します
最も可能性の高いたわみ角は、物質の原子量に比例します
最も可能性の高いたわみ角は、アルファ粒子の速度とともに減少します
粒子が90°以上偏向する確率はほとんどありません

ラザフォードは散乱パターンを数学的にモデル化します
上記の実験の結果を考慮して、ラザフォードは1911年に「物質によるα粒子とβ粒子の散乱と原子の構造」というタイトルの画期的な論文を発表しました。非常に小さくて激しい（実際、ラザフォードはそれを彼の計算では点電荷として扱います）。数学的計算の目的で、彼はこの中心電荷が正であると仮定しましたが、これを証明できず、他の実験が彼の理論を発展させるのを待たなければならなかったことを認めました。
ラザフォードは、すべての正電荷とほとんどの原子量が原子の中心の一点に集中している場合に、フォイルがアルファ粒子をどのように散乱させるかをモデル化した数式を開発しました。

=X n t sc 4（（ ϕ 2 ）。16 2 （（ 2Q n Q α mv 2 ）。 2 { s = { frac {Xnt csc ^ {4} {！ left（{ tfrac { phi} {2}} right）}} {16r ^ {2}}} cdot { left（{ frac {2Q_ {n} Q _ { alpha}} {mv ^ {2}}} right）} ^ {2}}

s =たわみ角
Φで単位面積に落下するアルファ粒子の数
r =散乱物質へのα光線の入射点からの距離
X =散乱物質に落下する粒子の総数
n =材料の単位体積内の原子の数
t =箔の厚さ
Qn =原子核の正電荷
Qα =アルファ粒子の正電荷
m =アルファ粒子の質量
v =アルファ粒子の速度
散乱データから、ラザフォードは中心電荷Q nを約+100単位と推定しました（ラザフォードモデルを参照）。

1913年の実験
1913年の論文「大角度によるα粒子の偏向の法則」で、ガイガーとマースデンは、ラザフォードが開発した上記の方程式を実験的に検証しようとした一連の実験について説明しています。ラザフォードの方程式は、与えられた角度Φで観察される1分あたりのシンチレーションの数は次のように比例するはずであると予測しました。
csc 4（Φ/ 2）
ホイルの厚さt
中心電荷の二乗の大きさQn
1 /（mv 2）2
彼らの1913年の論文は、これら4つの関係のそれぞれを証明した4つの実験について説明しています。

この装置は、ガイガーとマースデンによる1913年の論文で説明されています。これは、金属箔（F）によって生成されたアルファ粒子の散乱パターンを正確に測定するように設計されました。顕微鏡（M）とスクリーン（S）は回転シリンダーに取り付けられており、あらゆる角度からのシンチレーションをカウントできるように、ホイルの周りを完全に一周することができました。
散乱が偏向角によってどのように変化するかをテストするために（つまり、s∝ csc 4（Φ/ 2）の場合）、ガイガーとマースデンは、ターンテーブルに取り付けられた中空の金属シリンダーで構成される装置を構築しました。シリンダーの内側には、金属箔（F）とラドンを含む放射線源（R）があり、シリンダーを独立して回転させることができる分離されたカラム（T）に取り付けられていました。カラムは、シリンダーから空気を送り出すためのチューブでもありました。蛍光硫化亜鉛スクリーン（S）で覆われた対物レンズを備えた顕微鏡（M）がシリンダーの壁を貫通し、金属箔に向けられました。テーブルを回転させることにより、顕微鏡をホイルの周りを完全に一周させることができ、ガイガーは最大150°偏向したアルファ粒子を観察およびカウントすることができます。実験誤差を修正して、ガイガーとマースデンは、与えられた角度Φによって偏向されるアルファ粒子の数が実際にcsc 4（Φ/ 2）に比例することを発見しました。

この装置は、箔の厚さ、材料の原子量、およびアルファ粒子の速度に関連して、アルファ粒子の散乱パターンがどのように変化するかを測定するために使用されました。中央の回転ディスクには、ホイルで覆うことができる6つの穴がありました。
次に、ガイガーとマースデンは、ホイルの厚さによって散乱がどのように変化するかをテストしました（つまり、s∝ tの場合）。彼らは、6つの穴が開けられたディスク（S）を作成しました。穴はさまざまな厚さの金属箔（F）で覆われているか、制御用に何も覆われていませんでした。次に、このディスクを2枚のガラス板（BとC）の間の真ちゅう製のリング（A）に密封しました。ロッド（P）を使用してディスクを回転させ、各ウィンドウをアルファ粒子源（R）の前に移動させることができます。後部のガラス板には硫化亜鉛スクリーン（Z）がありました。ガイガーとマースデンは、硫化亜鉛スクリーンに現れるシンチレーションの数は、厚さが小さい限り、実際に厚さに比例することを発見しました。
ガイガーとマースデンは、上記の装置を再利用して、散乱パターンが核電荷の2乗でどのように変化するかを測定しました（つまり、s∝ Q n 2の場合）。ガイガーとマースデンは、金属の原子核の正電荷が何であるかを知りませんでしたが（原子核が存在することを発見したばかりでした）、原子量に比例すると仮定したため、散乱が比例するかどうかをテストしました原子量の2乗に。ガイガーとマースデンは、ディスクの穴を金、スズ、銀、銅、アルミニウムのホイルで覆いました。彼らは、各フォイルを同等の空気の厚さに等しくすることによって、各フォイルの阻止能を測定しました。彼らは、各ホイルがスクリーン上で生成した1分あたりのシンチレーションの数を数えました。彼らは、1分あたりのシンチレーションの数をそれぞれのフォイルの空気当量で割った後、原子量の平方根で再び割った（ガイガーとマースデンは、停止力が等しいフォイルの場合、単位面積あたりの原子数は原子量の平方根）。したがって、各金属について、ガイガーとマースデンは、一定数の原子が生成するシンチレーションの数を取得しました。次に、各金属について、この数値を原子量の2乗で割ると、比率がほぼ同じであることがわかりました。したがって、彼らはs∝ Qn2であることを証明しました。
最後に、ガイガーとマースデンは、散乱がアルファ粒子の速度によってどのように変化するかをテストしました（つまり、s∝ 1 / v 4の場合）。再び同じ装置を使用して、彼らはアルファ粒子源の前に雲母の余分なシートを置くことによってアルファ粒子を遅くしました。彼らは、実験誤差の範囲内で、シンチレーションの数が実際に1 /v4に比例することを発見しました。

ラザフォードは、核が正に帯電していると判断しました
1911年の論文（上記を参照）で、ラザフォードは原子の中心電荷が正であると仮定しましたが、負の電荷も彼の散乱モデルに適合していました。 1913年の論文で、ラザフォードは、さまざまなガス中のアルファ粒子の散乱を調べた実験の結果に基づいて、「原子核」（現在はそれと呼んでいる）が実際に正に帯電していると宣言した。
1917年、ラザフォードと彼の助手であるウィリアムケイは、水素や窒素などのガスを通るアルファ粒子の通過を調査し始めました。彼らが水素を通してアルファ粒子のビームを発射した実験では、アルファ粒子は水素原子核を後方ではなく、ビームの方向に前方にノックしました。彼らが窒素を通してアルファ粒子を撃った実験で、彼はアルファ粒子が窒素原子核から水素原子核（すなわち陽子）をノックアウトしたことを発見しました。

遺産
ラザフォードモデルと
ラザフォード-ボーアモデル
ガイガーがアルファ粒子が強く偏向しているのを発見したとラザフォードに報告したとき、ラザフォードは驚いた。ラザフォードがケンブリッジ大学で行った講義で、彼は次のように述べました。
それは私の人生でこれまでに起こった中で最も素晴らしい出来事でした。まるでティッシュペーパーに15インチのシェルを発射して、戻ってきてあなたに当たったかのように、それはほとんど信じられないほどでした。考えてみると、この後方散乱は1回の衝突の結果であるに違いないことに気づきました。計算を行ったところ、質量の大部分を占めるシステムを使用しない限り、その桁の大きさのものを取得することは不可能であることがわかりました。原子の1つは微細な核に集中していた。その時、私は、電荷を帯びた、微細な巨大な中心を持つ原子のアイデアを思いつきました。 — アーネスト・ラザフォード
すぐに称賛が殺到しました。かつて原子の土星模型を提案した長岡半太郎は、1911年に東京からラザフォードに次のように書いています。これらの実験の結論は、地球上のすべての物質がどのように構造化され、したがってすべての科学および工学分野に影響を及ぼし、これまでで最も重要な科学的発見の1つとなっていることを明らかにしました。天文学者のアーサー・エディントンは、デモクリトスが原子の年代を早く提案して以来、ラザフォードの発見を最も重要な科学的成果と呼びました。
ほとんどの科学モデルと同様に、ラザフォードの原子モデルは完全でも完全でもありませんでした。古典ニュートン物理学によれば、それは実際には不可能でした。加速する荷電粒子は電磁波を放射するため、理論的には原子核を周回する電子は、エネルギーを失うと原子核に渦巻くようになります。この問題を解決するために、科学者は量子力学をラザフォードのモデルに組み込む必要がありました。

も参照してください
原子理論
ラザフォード後方散乱分光法
ラザフォード散乱
散乱実験一覧

参考文献
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参考文献
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外部リンク
cambridgephysics.orgからの実験の説明”