ラザフォード原子模型

私たちはすべて、パディングの中のプラムを見たことがあります。以前は電子が原子内の正電荷に分布していると考えられていました。つまり、正電荷が原子全体に存在し、負の電子がプディングのプラムのように不均一に分布していると考えられていました。この原子モデルの概念は、プラム・イン・プディングモデルとして知られています。この概念は、電子の発見者でもあるJ.J.トムソンによって導入されました。トムソンによれば、プラム・イン・プディングモデルでは、原子の正と負の電荷が原子全体に分布しており、原子内には集中した質量があってはならないとされています。
1899年、マンチェスター大学のアーネスト・ラザフォードは、ウランのような放射性物質から放出される正電荷を持つヘリウムイオンであるアルファ粒子を発見しました。これらのアルファ粒子は、亜鉛硫化物でコーティングされたスクリーンに衝突すると明るいスポットを作ります。原子内には集中した質量がないため、薄い金属箔に正電荷を持つアルファ粒子を照射すると、全てのアルファ粒子がほとんど偏向せずに通過すると予測されました。

原子内で発生する小さな電場は、粒子の運動に大きな影響を与えることはありません。そのため、アルファ粒子の軌道の偏向は1度未満になると予測されました。この予測は、アーネスト・ラザフォードにプラム・イン・プディングモデルを検証する実験を行う意欲を与えました。彼は同僚のアーネスト・マーズデンとハンス・ガイガーに、アルファ粒子を薄い金属箔に照射してこの予測を検証するように指示しました。指示通り、マーズデンとガイガーは実験を行い、歴史的な成果を上げました。彼らは非常に薄い金箔をアルファ線銃の前に置き、金箔の周りに亜鉛硫化物のスクリーンを配置して、アルファ粒子がスクリーンに衝突する際の明るいスポットを観察しました。彼らは暗室で実験を行いました。実験中に、予測通りにアルファ粒子が金箔を通過し、その背後の亜鉛硫化物スクリーンに衝突することを観察しました。

しかし、スクリーン上の明るいスポットを数えると、予想外の結果が得られました。すべてのアルファ粒子が直線的に金箔を通過したわけではありませんでした。わずかな割合のアルファ粒子が金箔を通過する際に進行方向を変更しました。粒子が進行方向を変えるだけでなく、一部の粒子は直接アルファ線銃に向かって跳ね返りました。詳細な観察結果の研究後、マーズデンとガイガーはラザフォードに報告書を提出しました。彼らの報告書を観察および研究した後、ラザフォードは異なる原子モデルを予測しました。これはラザフォード原子モデルとして知られています。

彼は、直接跳ね返ったアルファ粒子はより重い質量と衝突した可能性があると予測しました。そしてその質量は正電荷を持っているはずです。また、一部の偏向したアルファ粒子は跳ね返らなかったものの、非常に大きな角度で偏向していることも確認されました。異なる偏向角度とその角度で偏向した粒子の数を観察することで、彼は正電荷のアルファ粒子が比較的大きな集中した正電荷の影響を受けていると予測しました。彼は質量と正電荷の集中が原子の中で同じ場所にあると述べ、それが原子の中心であり、それを原子核と呼びました。さらに、原子核以外の原子内の空間は空っぽであると述べています。

この金箔実験の後、ラザフォードはより現実的な原子モデルを提案しました。このモデルはまた核原子モデルまたは惑星モデルとも呼ばれます。このモデルは1911年に提唱されました。ラザフォード原子モデルによれば、原子のほぼすべての質量はこの核に集中しています。この核は正電荷を持ち、小さな軽い負電荷を持つ粒子（電子）に囲まれています。これらの電子は太陽系の惑星が太陽を取り巻くのと同じように核を取り巻いて回っています。そのため、このモデルはまた惑星モデルとも呼ばれます。

核の半径は約10-13 cmです。電子が核の周りを回る円形の軌道の半径は約10-12 cmで、これは電子の直径よりも大きいです。原子の半径は約10-8 cmです。したがって、惑星系のように、原子も非常に開放的な構造をしており、さまざまな種類の高速粒子が透過することができます。ラザフォードの惑星原子モデルは以下の図に示されています-

正電荷を持つ核と、核の周りを回る負電荷を持つ電子の間に引力が存在します。この正電荷を持つ核と負電荷を持つ電子間の静電力は、太陽と太陽系を回る惑星間の重力に似ています。この惑星型原子の大部分は開けた空間であり、これにより、正電荷を持つ小さな粒子（アルファ粒子など）の通過に抵抗を与えることはありません。
原子の核は非常に小さく、密度が高く、正電荷を持っているため、正電荷を持つ粒子の散乱を引き起こします。この現象は、正電荷を持つアルファ粒子が正電荷を持つ核によって散乱されることを説明し、アーネスト・ラザフォードが観察した金箔によるアルファ粒子の散乱を説明します。アーネスト・ラザフォード原子モデルは、イギリスの物理学者サー・J.J.トムソンによって提唱されたトムソンのプラム・イン・プディングモデルを置き換えました。

アーネスト・ラザフォードの原子モデルによれば、電子は原子の質量に付着していない。電子は空間で静止しているか、または核の周囲を円形の軌道で回っている。しかし、電子が静止している場合、電子と核の間に働く引力によって核に落ちてしまうことになる。一方、電子が円形の軌道を動いている場合、電磁理論によれば、加速された電子の電荷はエネルギーを連続的に失い、最終的には核に落下してしまうことになります。以下の図に示すように、ラザフォード原子モデルはなぜ電子が正電荷を持つ核に落ちないのかを説明できません。

したがって、ラザフォードの原子モデルの欠点は以下の通りです-

1. ラザフォードの原子モデルは電子の軌道での分布を説明していません。

2. ラザフォードの原子モデルは、原子全体の安定性を説明していません。

上記のラザフォードの原子モデルの欠点は、ボーアの原子モデル（1913年）によって克服されました。

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