物理学

原子核の周囲を電子が回る ‟土星型„モデルを提唱

長岡 半太郎(1865~1950年、物理学、日本)

 人類で初めて望遠鏡で天体を観測したガリレオ・ガリレイは、土星の環(わ)を「土星の耳」と表現し、決してリングとは認識していなかったようだ。土星の環を初めて環として観測したのは、土星の衛星タイタンも発見したオランダの物理学者クリスティアーン・ホイヘンス(1629~1695年)で1655年のことだった。その環はほとんどが氷の粒できており、円盤状になって直径約28万㎞まで広がっているが、厚さはわずか5~30mと薄い。

 さて、こうした広大な宇宙にある「土星の輪」がヒントになって、極微小な原子の構造についての重要なモデルが、1904年(明治37年)に日本人によって国内外に発表された。考えたのは肥前国大村藩(現・長崎県大村市)生まれの物理学者、長岡半太郎博士だ。

 長岡博士は「原子はプラスの電気をもった原子核の周囲を、マイナスの電気をもった多くの電子が回っている」として、土星本体が原子核、それを取り巻く環が電子の軌道に当たるような原子モデルを考えた。

 この土星型原子モデルを長岡博士が発表した当時は、原子がどんな構造をしているのか誰も分からなかった。電子の存在を示した有名な英国の物理学者J・J・トムソン(1856~1940年)=1906年ノーベル物理学賞受賞=も長岡博士と同じ年に、プラスの電気を帯びた球の中にマイナスの電子が散らばって存在するような「ぶどうパン」モデルを提唱したが、無名な日本人の仮説よりも、こちらの方が世界的に有名になってしまった。

 ところが7年後、トムソンの弟子アーネスト・ラザフォード(1871~1937年)らが、うすい金ぱくにプラスの電気をもったある種の放射線(アルファ線)を当てる実験をしたところ、進路が90度も曲げられたり、手前にはじき返されたりした。これはアルファ線と同じプラス電気を持つ重い原子核が原子の中心にあることを示すもので、さらに実験を重ねることでラザフォードも長岡博士と同様な土星型モデルを提唱し、長岡博士の先見性が立証されるに至ったという。

 長岡博士は他に、磁性体や電波などの研究にも熱心だった人で、1924年には「原子番号80の水銀から、陽子1個を除去し、原子番号79の金を作った」(水銀還金)と今では考えられないような研究を発表し、日本中が大騒ぎとなったこともある。若き25歳で東京帝国大学の助教授、3年間のドイツ留学後、31歳で教授になった先駆的な科学者で、その後研究に活躍する多くの弟子たちを育てたが、一家で上京後に入学した小学校では「成績が悪くて落第した」というから、不思議なものだ。

 消える!? 土星の環 この稿を最初に起こした1995年は、地球から見て土星の環が消える「土星の輪の消失現象」の当たり年だった。同現象は、原則的に土星の公転(約29.5年周期)に伴い約15年ごとに1回起きるほか、土星の環の面が太陽方向に重なった場合や、地球と土星との位置関係で起きる場合もある。国立天文台によると1995年は5、8、11月と翌年2月に消失があった。その後2009年8、9月、今後は2025年3、5月、そして2038~9年には計4回の環の消失がある。


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