プラム・プディング模型とは？トムソンの原子モデルをわかりやすく解説

プラム・プディング模型とは何かを図解と歴史背景でわかりやすく解説。トムソンの原子モデルの発想と誤り、現代の理解までスッキリ理解。

プラムプディング模型は、20世紀初期の（そして間違った）原子の模型である。電子が発見された後、原子核が発見される前の1904年にJ.J.トムソンによって提唱された。当時、科学者たちは、原子の中に正の電荷があり、それが電子の負の電荷と釣り合って原子を中性にしていることは知っていましたが、その正の電荷がどこから来るのかは知りませんでした。トムソンのモデルは、原子がプラスに帯電した媒質（空間）を持ち、その中にマイナスに帯電した電子があるというものだった。正電荷の媒質がプリンのようで、その中に電子、つまりプラムがあることから、提案後すぐにこのモデルは「プラム・プディング」モデルと呼ばれるようになった。

モデルの主な特徴

• 均一な正の電荷の「球状な雰囲気」：原子全体は正に帯電した連続的な媒質（ソース）で満たされていると想定された。
• 電子はその中に散在する負の点電荷：電子は正の媒質の中に埋め込まれており、全体として電荷が打ち消されて原子は中性になる。
• 原子の中心に集中した核は存在しない：正電荷は一点に集中しているのではなく、原子全体に広がっていると考えられた。
• 安定性の仮定：電子は正の「スープ」によって安定に保持されると考えられていた。

なぜ提案されたか（背景）

19世紀末から20世紀初めにかけて、電子は既に発見されていましたが（J.J.トムソンが1897年に報告）、正の電荷の実体やその分布については不明でした。原子が電気的に中性であることを説明する単純なモデルとして、正電荷が広がっているというイメージは自然でした。トムソン自身も、電子がいくつかの配置をとって安定化するような具体的な配置（リング状配置など）を議論していました。

プラム・プディング模型の限界と反証

• α散乱実験（ラザフォードの金箔実験）：1909年のラザフォードらによる金箔へのα粒子散乱実験で、多くの粒子はほとんど直進したが、一部は大きくはね返された。プラム・プディング模型では大きな角度での散乱は説明できず、これがモデルの重大な反証となった。ラザフォードはこれをもとに1911年に陽子などの正電荷が非常に小さな領域（原子核）に集中していることを示す核模型を提案した。
• 原子スペクトルの説明が不十分：元素の吸収・発光スペクトル（離散的な線スペクトル）は、電子の特定のエネルギー準位の存在を示唆するが、プラム・プディング模型はそのような離散的準位を自然に説明できなかった。
• 電気力学的な安定性の問題：古典電磁気学の枠組みでは、自由電子が正電荷の連続体中でどのように安定に存在できるか（放射や崩壊の問題）を十分に説明できない点があった。

その後の発展と歴史的意義

プラム・プディング模型は最終的に廃れ、ラザフォードの核モデル、続いてボーアの量子を取り入れた原子モデル（1913年）が登場しました。ボーアモデルは水素スペクトルなどを説明でき、さらにのちの量子力学（シュレディンガー方程式や電子雲の概念）へと発展していきます。

それでもプラム・プディング模型は、電子の発見直後に原子内部の構造を考える最初期の試みとして重要です。仮説として提出され、実験によって検証・反証される過程は、現代の科学的方法の典型例でもあります。

まとめ

• プラム・プディング模型は1904年にトムソンが提唱した、正の電荷が原子全体に広がり電子がその中に埋め込まれているという古典的モデルである。
• 金箔実験などの結果により、正電荷が原子の中心に集中した原子核の存在が示され、この模型は置き換えられた。
• 歴史的には誤ったモデルだが、原子構造理解の発展にとって重要なステップであった。

現代の原子モデルへの発展

ラザフォードのモデル

トムソンモデルが提唱されて間もない1909年、ハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンは、トムソンモデルを検証するために、金の薄板を使って実験を行った。彼らの教授であるアーネスト・ラザフォードは、トムソンの正しさを証明する結果を期待したが、その結果は彼らの期待とは全く異なるものであった。1911年、ラザフォードは、正の電荷は陽子という小さな粒子から来ていること、陽子は原子核という小さな中心部にあり、電子は原子核の周りを回っていることを発見したのです。

ボーアモデル

ラザフォードのモデルは非常に単純でしたが、電子には電荷があり、正電荷を持つ原子核に引き寄せられるはずなので、間違っていたのです。1913年、ニールス・ボーアは原子モデルに「エネルギー準位」を追加した。電子が原子核に落ちないのは、電子がエネルギー準位に含まれているからで、高いエネルギー準位に変化するには余分なエネルギーが必要であり、低いエネルギー準位に変化するにはエネルギーの放出が必要である。電子のエネルギーを変えずにエネルギー状態を変えることはできないのです。もし電子に光子（電磁波を運ぶ粒子）が当たると、電子は余分なエネルギーを得て高いエネルギー準位に行き（状態が変わり）、その後、低いエネルギー準位に飛び降りて、含まれていたエネルギーを放出します。この新しいモデルは、ボーアモデルまたはラザフォード・ボーアモデルと呼ばれました。このモデルによって、科学にまったく新しい分野が加わった。量子物理学

量子モデル

1926年、エルヴィン・シュレーディンガーは、電子が粒子としてだけでなく波としても振る舞うという考えを用いました。これは、波動と粒子の二重性と呼ばれています。この考えは、原子モデルや量子物理学に全く新しいレイヤーを追加するものでした。粒子であれば、観測すれば空間のどこにあるかがわかる。しかし、波の場合は、そこらじゅうにあるわけですから、正確にどこにあるのかを定義することはできません。これを「量子力学的な不確かさ」といいます。電子の場合は、粒子であると同時に波でもあるので、ある場所にある確率しかわかりません。(上図参照)

電子がエネルギー準位を変化させ、光子としてエネルギーを得たり放出したりする様子を表した絵。


これは現在の原子モデルを示しています。原子の周りの黒い影は、そこに電子が存在する確率を表しています。黒くなるほど、その場所に電子が見つかる確率が高くなります。

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