ガイガー・マースデン（金箔／ラザフォード）実験 — 原子核発見の決定的実験

ガイガー・マースデン（金箔/ラザフォード）実験の全貌を解説 — 原子核発見の決定的瞬間、実験手法と科学的意義をわかりやすく紹介。

ガイガー・マースデン実験（金箔実験、ラザフォード実験とも呼ばれる）は、1909年にハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンによって行われた科学実験である。ラザフォードの指導を受け、マンチェスター大学の物理学研究所で行われた。この実験の結果は驚くべきものだった。原子核が存在することを科学者に示したのである。これは、プラムプディングの原子モデルを否定し、ラザフォードの原子モデル（惑星モデルとも呼ばれる）につながったのです。

実験の目的と背景

19世紀末〜20世紀初頭、原子の内部構造に関してはJ. J. トムソンの提唱したプラムプディング模型（正電荷が広がり、その中に電子が散在する模型）が有力だった。しかしラザフォードは、α線の散乱を調べることで原子内の電荷分布について検証できると考え、ガイガーとマースデンに実験を委ねた。

実験装置と手順

• 放射性α線源：当時利用可能なラジウムやポロニウム等から出るα粒子を用いた（文献により用いた同位体の表現は異なる）。
• 薄い金箔：金は極薄に延ばせるため用いられ、原子の厚さ方向の散乱を最小限に保ちながら測定できた。
• 蛍光スクリーン：硫化亜鉛（ZnS）でコーティングしたスクリーンを用い、α粒子が当たると発光（閃光）するのを顕微鏡で観察・数えた。観測は肉眼と顕微鏡による夜間の閃光観察が中心であった。
• 測定手順：金箔の前方からα粒子を照射し、さまざまな角度で出る散乱の頻度を数える。多数はほとんど直進するが、少数が大きな角度で散乱し、中にはほぼ逆向きに跳ね返るものも観察された。

主要な観察結果

• 大部分のα粒子はほとんど散乱されず、金箔を通過した（→ 原子はほとんど空間である）。
• ごく一部のα粒子が大きな角度で散乱され、中には180度付近へ反跳するものもあった（→ 集中した強い正電荷による強い反発が必要）。
• 散乱の角度分布は、散乱中心が原子全体に広がるのではなく、極めて小さな領域に集中していることを示唆した。

ラザフォードの解釈と原子モデルへの影響

ラザフォードはこれらの観察を基に、1911年に原子核模型（核模型）を提案した。主張の要点は次のとおりである。

• 原子の正電荷とほとんどの質量は極めて小さな領域（原子核）に集中している。
• 原子核の半径は原子全体の半径よりもはるかに小さく、数桁から数十桁小さい（概算で原子半径は約10⁻¹⁰ m、核の大きさは約10⁻¹⁴–10⁻¹⁵ m程度と見積もられた）。
• 原子の大部分は空間（電子が核の周りを取り巻く）であり、これにより大角度散乱が説明できる。

この核模型は従来のプラムプディング模型を否定し、のちにニールス・ボーアが量子条件を導入したボーア模型（1913年）など、量子原子論の発展へとつながった。

理論的発展と定式化

ラザフォードとその同僚たちは、散乱角度と散乱頻度の関係を定式化し、後にラザフォード散乱公式として知られる理論的表現を導いた。これにより散乱実験のデータから核電荷や核の性質を定量的に推定できるようになった。

その後の発展と意義

• ガイガーは後にウォルター・ミューラーとともにガイガー–ミューラー計数管（放射線検出器）を発明し、放射線計測技術が大きく進んだ。
• ラザフォード模型はさらに発展して、陽子の発見（ラザフォードら、1917–1919年）や中性子の発見（ジェームズ・チャドウィック、1932年）など核物理学の基礎的発見へとつながった。
• 金箔実験は「原子が空間のほとんどを占める」という直感に反する事実を示し、20世紀の物理学革命における決定的な実験の一つと評価される。

実験の特徴と教訓

• 単純な装置でも重要な発見が得られる：装置自体は現在から見ると簡潔であるが、観察と解釈の工夫が決定的だった。
• 予想外の結果を重視する：少数の大角度散乱という「例外的」な現象に注目したことが、新しい理論構築につながった。

ガイガー・マースデンの金箔実験は、原子内部の構造に関する理解を根本から変え、核物理学と量子物理学の発展に不可欠な出発点を提供した重要な歴史的実験である。

質問と回答

Q: ガイガー・マースデン実験は何を確認したのですか?

Q: 誰がガイガー・マースデン実験を行ったのですか?

Q: 誰がハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンにガイガー・マースデン実験を指示したのですか?

Q: ガイガー・マースデン実験はいつ行われたのですか?

Q: ガイガー・マースデン実験の結果は?

Q: ラザフォード原子モデルとは何ですか?

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