中性子の発見

中性子とその特性の発見は、20世紀前半の原子物理学における驚異的な発展の中心となった。20世紀初頭、アーネスト・ラザフォードはハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンの金箔実験に基づいて、原子の大まかなモデルを開発した^[1]^{: 188}^[2]。このモデルでは、原子の質量と正の電荷が非常に小さな原子核に集中していた。^[3] 1920年までには、化学元素の同位体が発見され、原子質量は水素原子の質量の（ほぼ）整数倍であると決定され、^[4]原子番号は原子核の電荷であると特定された。^[5]^{: §1.1.2} 1920年代を通じて、原子核は当時知られていた2つの基本粒子である陽子と電子の組み合わせで構成されていると考えられていたが、そのモデルにはいくつかの実験的および理論的矛盾があった。^[1]^{: 298}

原子核の本質は、1932年にジェームズ・チャドウィックが中性子を発見したこと^[6]と、それが陽子とは異なる新しい素粒子であると決定されたことで確立されました。^[7]^[8]^：55

電荷を持たない中性子は、原子核の構造を調べるための新しい手段としてすぐに利用され、中性子照射による新しい放射性元素の生成（1934年）や中性子によるウラン原子の核分裂（1938年）などの発見につながりました。^[9]核分裂の発見は、第二次世界大戦の終わりまでに原子力と核兵器の両方を生み出すことにつながった。陽子と中性子は、1960年代まで素粒子であると考えられていましたが、その年にクォークから作られた複合粒子であることが判明しました。^[10]

放射能の発見

20世紀初頭、原子の存在に関する激しい論争はまだ決着がついていなかった。エルンスト・マッハやヴィルヘルム・オストワルドなどの哲学者は、原子は便利な数学的概念であるとみなして実在を否定したが、アルノルド・ゾンマーフェルトやルートヴィヒ・ボルツマンなどの科学者は、物理理論には原子の存在が必要であると考えた。^[9]^{: 13–14}

放射能は、1896年にフランスの科学者アンリ・ベクレルがリン光物質の研究中に発見されました。1898年にキャベンディッシュ研究所のアーネスト・ラザフォードは、通常の物体や気体への透過力、つまり内部への移動力が異なる2種類の放射能、アルファ線とベータ線を区別しました。2年後、ポール・ヴィラールは、さらに透過力の高いガンマ線を発見しました。 ^[1]^{: 8–9}これらの放射線はすぐに既知の粒子と特定されました。1902年にウォルター・カウフマンはベータ線が電子であることを示しました。1907年にラザフォードとトーマス・ロイズはアルファ線がヘリウムイオンであることを示しました。ガンマ線は電磁放射線、つまり光の一種であることが1914年にラザフォードとエドワード・アンドラーデによって示されました。 ^[1]^{: 61–62, 87}これらの放射線は原子から発せられるものであることも確認されており、原子内部で起こっている過程の手がかりを提供しました。逆に、放射線は原子内部を調べるための散乱実験に利用できるツールとしても認識されていました。^[11]^{: 112–115}

金箔実験と原子核の発見

1908年から1913年にかけてマンチェスター大学で、ラザフォードはハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンを指揮して、アルファ粒子が金属箔から散乱すると何が起こるかを調べる一連の実験を行った。現在ではラザフォードの金箔実験、あるいはガイガー・マースデン実験と呼ばれているこれらの測定により、薄い金箔を通過するアルファ粒子の大半はほとんど偏向しないものの、少数は高角度に散乱するという驚くべき発見がなされた。散乱は、アルファ粒子の一部が原子内部の小さいが高密度の要素から跳ね返ったことを示した。これらの測定に基づいて、1911年までにラザフォードは、原子が正電荷を持つ小さくて重い原子核と、それを取り囲むはるかに大きな負電荷の電子の雲で構成されていることを明らかにした。アルファ粒子の観測された偏向をもたらすには原子質量の集中が必要であり、ラザフォードは散乱を説明する数学モデルを開発した。^[12]^{: 188}^[2]

当時、ラザフォードの模型はほとんど無視されていましたが^{[12] 、}ニールス・ボーアがラザフォードのグループに加わった後、1913年に原子核の周りを回る電子のボーア模型を開発し^[13] 、これが最終的に1920年代半ばまでに量子力学に基づく原子模型につながりました。

同位体の発見

ラザフォード、ガイガー、マースデンの研究と同時期に、グラスゴー大学の放射化学者フレデリック・ソディは、放射性物質に関する化学関連の問題を研究していた。ソディはマギル大学でラザフォードと放射能について研究していた。^{[14] 1910年までに、ウランと鉛の間に、放射}性元素と呼ばれる約40種類の放射性元素が特定されていたが、周期表には11種類の元素しか記載できなかった。ソディとカジミエシュ・ファジャンスは1913年にそれぞれ独立に、アルファ崩壊する元素は周期表で2つ左にある元素を生成し、ベータ崩壊する元素は周期表で1つ右にある元素を生成することを発見した。また、周期表で同じ場所にある放射性元素は化学的に同一である。ソディはこれらの化学的に同一の元素を同位体と呼んだ。^[15]^{: 3–5}^[16]放射能の研究と同位体の発見により、ソディは1921年にノーベル化学賞を受賞した。^[17]

フランシス・アストンは、J・J・トムソンの電場と磁場による正電荷原子の偏向に関する研究を基に、1919年にキャベンディッシュ研究所で最初の質量分析計を製作しました。彼はその後、ネオンの2つの同位体を分離することができました。²⁰
ね
そして²²
ね
アストンは、すべての粒子の質量が酸素16と整数の関係にあるという整数則を発見し、^[18]酸素16の質量がちょうど16であると仮定しました。^[4]（今日、整数則は炭素12に対する原子質量単位（amu）の倍数で表されます。^[19]）。重要なのは、この規則の唯一の例外が水素自体であり、その質量は1.008でした。余分な質量は小さいものでしたが、実験の不確かさの限界をはるかに超えていました。

アインシュタインの質量エネルギー等価性は1905 年から知られていたため、アストンらは質量の不一致は原子の結合エネルギーによるものであることをすぐに理解した。多数の水素原子の内容物が 1 つの原子に結合している場合、その 1 つの原子のエネルギーは個々の水素原子のエネルギーの合計よりも小さくなるはずであり、したがって 1 つの原子の質量は水素原子の質量の合計よりも小さくなる。^[4] アストンの同位体に関する研究は、多数の非放射性元素の同位体の発見と整数則の提唱により、1922 年にノーベル化学賞を受賞した。^[20]アストンの核結合エネルギーの発見に注目して、1920 年にアーサー・エディントンは、星は水素 (陽子) をヘリウムに融合させることでエネルギーを得る可能性があり、より重い元素は星の中で形成される可能性があると示唆した。^[21]

原子番号とモーズレーの法則

ラザフォードらは、原子質量単位で計算された原子の質量と、ラザフォードモデルが機能するために原子核に必要な電荷のおおよその差に気付いていた。原子核に必要な電荷は通常、その原子質量の約半分であった。^[22]^{: 82} アントニウス・ファン・デン・ブルックは、 Zで表される必要な電荷は元素の原子量の半分ではなく、周期表における元素の順序と正確に等しいという大胆な仮説を立てた。^[1]^{: 228}当時、周期表における元素の位置に物理的な意味があるとは知られていなかった。しかし、元素が原子質量の増加に基づいて順序付けられると、化学的性質に周期性が示された。しかし、コバルトやニッケルのように、この周期性の例外は明らかであった。^[a]^[23]^{: 180}

1913年にマンチェスター大学でヘンリー・モーズリーは、訪問中のボーアと新しいボーアの原子モデルについて議論した。 ^[22]このモデルは水素原子からの電磁放射スペクトルを説明するものであり、モーズリーとボーアは、コバルトやニッケルなどのより重い元素の電磁放射スペクトルが、重量順に従うのか、それとも周期表の位置順に従うのか疑問に思った。^[24]^{: 346} 1913年から1914年にかけて、モーズリーはX線回折法を用いて、この問題を実験的に検証した。彼は、特定の元素のX線スペクトルで最も強度の高い短波長線（Kアルファ線）が、その元素の周期表の位置、すなわち原子番号Zと関連していることを発見した。実際、モーズリーはこの命名法を導入した。^[5]^{: §1.1.2}モーズリーは、多数の元素について、放射線の周波数が元素の原子番号と単純な方法で関連していることを発見した。^[25]^[5]^{: 5}^[23]^{: 181}

1年以内に、現在モーズレーの法則と呼ばれている関係式は、他の元素の原子構造に関する合理的な追加の仮定を伴って、1913年のボーアモデルで説明できることが指摘されました。^[26]^{: 87}ボーアの後の説明によると、モーズレーの結果は、原子番号を測定可能な実験量として確立しただけでなく、原子核の正電荷として物理的な意味を与えました。元素は、原子量ではなく原子番号の順に周期表に並べることができます。 ^[27]^{: 127}この結果は、周期表の構成、原子のボーアモデル、^[28]^{: 56}および原子核からのアルファ散乱に関するラザフォードのモデルを結び付けました。これは、ラザフォード、ボーア、およびその他の人々によって、原子核の性質を理解する上で重要な進歩として引用されました。^[29]

原子物理学のさらなる研究は第一次世界大戦の勃発により中断された。モーズリーは1915年にガリポリの戦いで戦死し^[30]^[23]^{: 182}、ラザフォードの弟子ジェームズ・チャドウィックは戦争中の1914年から1918年までドイツで抑留された^[31] 。ベルリンでは、リーゼ・マイトナーとオットー・ハーンが精密な化学分離によってラジウムとウランの放射性崩壊系列を決定する研究が中断された^[9]^{: §4。}マイトナーは戦争のほとんどをオーストリア戦線近くで放射線科医および医療X線技師として働き、化学者のハーンは毒ガス戦の研究に従事した[ ^9]^{: 61–62, 68}

ラザフォード核

1920年にラザフォードは王立協会で「原子核の構成」と題するベーカー派の講演を行った。これは原子核に関する最新の実験の要約と原子核の構造に関する結論である。 ^[32]^[8]^{: 23}^[5]^{: 5} 1920年までに、原子核内に電子が存在することは広く想定されていた。原子核は原子質量に等しい数の水素原子核で構成されていると想定されていた。しかし、各水素原子核は電荷+1を持っていたため、原子核に正しい総電荷を与えるには、電荷-1の「内部電子」の数が少なかった。陽子の質量は電子の約1800倍であるため、この計算では電子の質量は付随的なものである。^[1]^{: 230–231} このようなモデルは、重い原子核からのアルファ粒子の散乱や、特定されていた多くの同位体の電荷と質量と一致していた。陽子電子モデルには他の動機もあった。当時ラザフォードが指摘したように、「原子核には正電荷を持つ物体だけでなく電子も含まれていると信じる強い理由がある...」^[32]^{: 376–377}すなわち、ベータ放射線は原子核から放出される電子であることがわかっていた。 ^[8]^{: 21}^[5]^{: 5–6}

その講義で、ラザフォードは新しい粒子の存在を推測した。アルファ粒子は非常に安定していることが知られており、原子核内でその性質を維持すると想定されていた。アルファ粒子は4つの陽子と2つの密接に結合した電子で構成され、電荷+2、質量4であると推定された。1919年の論文^[33]で、ラザフォードは質量3の新しい二重電荷粒子を発見したと報告し、X++と表記され、3つの陽子と密接に結合した電子で構成されると解釈された。この結果から、ラザフォードは2つの新しい粒子が存在する可能性が高いと考えた。1つは2つの陽子と密接に結合した電子で構成され、もう1つは1つの陽子と密接に結合した電子で構成されていた。X++粒子は後に質量4で、低エネルギーのアルファ粒子であることが判明した。^[8]^{: 25}それにもかかわらず、ラザフォードは、質量2の+1電荷粒子である重陽子と、質量1の中性粒子である中性子の存在を推測していました。 ^[32]^{: 396} 前者は、1931年にハロルド・ユーリーによって発見された重水素の原子核です。^[34]仮想中性粒子の質量は、陽子の質量とほとんど変わりません。ラザフォードは、そのようなゼロ電荷粒子を現在の技術で検出することは困難であると判断しました。^[32]^{: 396}

ラザフォードの講義のころ、原子核内の陽子と電子の複合体に関する同様の示唆を含む他の出版物が登場し、1921年にアメリカの化学者ウィリアム・ハーキンスがこの電荷を持たない粒子を中性子と名付けた。 [ ^35]^[36]^[37]^[5]^{: 6}同じころ、水素原子核を表すのに陽子という言葉が採用された。 ^{[38]中性子は、}ラテン語の「neutral」の語根とギリシャ語の語尾-on （電子と陽子を模倣して）から作られたと思われる。^[39]^{[40]ただし、原子との関連で}中性子という言葉に言及している文献は、1899年には早くも見られる。^[1]^{: 398}^[35]

ラザフォードとチャドウィックはすぐにケンブリッジのキャベンディッシュ研究所で中性子を探す実験プログラムを開始した。 ^[8]^{: 27}^[1]^{: 398} 実験は1920年代を通して続けられたが、成功しなかった。^[6]

ラザフォードの予想と仮説上の「中性子」は広く受け入れられなかった。当時コペンハーゲンの理論物理学研究所にいたジョージ・ガモフは、1931年に書いた「原子核と放射能の構成」という論文の中で中性子について触れていなかった。 ^[41] 1932年にパリで中性子の発見につながる測定を行ったとき、イレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオはラザフォードの予想を知らなかった。^[42]

核電子仮説の問題点

1920年代を通じて、物理学者は原子核が陽子と「原子核電子」で構成されていると仮定しました。^[8]^{: 29–32}^[43]この仮説によれば、窒素14（^14N）の原子核は14個の陽子と7個の電子で構成され、正味電荷は+7素電荷単位、質量は14原子質量単位になります。この原子核の周りをラザフォードが「外部電子」と名付けた別の7個の電子が周回し、^[32]^{: 375}^14N原子が完成します。しかし、この仮説の問題がすぐに明らかになりました。

ラルフ・クロニグは1926年に、原子スペクトルの観測された超微細構造が陽子-電子仮説と矛盾していると指摘した。この構造は、軌道を回る電子の力学に対する原子核の影響によって引き起こされる。想定される「原子核電子」の磁気モーメントは、ゼーマン効果に似た超微細スペクトル線分裂を生み出すはずであるが、そのような効果は観測されなかった。^[44]^{: 199} 電子の磁気モーメントは、原子核内にあるときには消滅しているようであった。^[1]^{: 299}

1928 年にユトレヒト大学を訪問した際、クロニグは N ₂⁺の回転スペクトルの驚くべき側面を知りました。ユトレヒト物理学研究所所長のレナード・オーンスタインが行った精密測定により、窒素原子核のスピンは 1 に等しいことが示されました。しかし、窒素 14 ( ¹⁴ N ) 原子核が 14 個の陽子と 7 個の電子で構成され、スピン 1/2 粒子の数が奇数である場合、結果として生じる核スピンは半整数になるはずです。そのため、クロニグは「陽子と電子は、原子核の外部ほどには同一性を保持していない」のではないかと示唆しました。^[1]^{: 299–301}^[45]^{: 117}

1929年にフランコ・ラセッティがラマン分光法を用いて二原子分子の回転エネルギー準位を観測した結果は、陽子-電子仮説から予想される統計と一致しなかった。ラセッティは、H ₂およびN ₂分子のバンドスペクトルを得た。両方の二原子分子の線は明暗の強度が交互に変化していたが、H _{2の交互パターンはN}₂のそれと逆であった。これらの実験結果を注意深く分析した後、ドイツの物理学者ヴァルター・ハイトラーおよびゲルハルト・ヘルツベルクは、水素原子核はフェルミ統計に従い、窒素原子核はボーズ統計に従うことを示した。しかし、当時未発表だったユージン・ウィグナーの結果によると、奇数のスピン1/2粒子を含む複合系はフェルミ統計に従わなければならず、偶数のスピン1/2粒子を含む系はボーズ統計に従うことが示された。したがって、ハイトラーとハーツバーグは次のように結論付けた。「原子核内の電子は...原子核の統計を決定する能力を失う。」^[45]^：117–118

1928年にオスカー・クラインが発見したクラインのパラドックス[ ^46]は、電子が原子核内に閉じ込められているという概念に対する量子力学的反論をさらに提示した。ディラック方程式から導かれたこの明確で正確なパラドックスは、高いポテンシャル障壁に近づく電子は、対生成プロセスによって障壁を通過する確率が高いことを示唆した^[41]。明らかに、電子はいかなるポテンシャル井戸によっても原子核内に閉じ込めることはできない。このパラドックスの意味は当時激しく議論された。^[44]^{: 199–200}

1930 年頃までに、原子核の陽子-電子モデルと量子力学のハイゼンベルクの不確定性関係を調和させることは困難であることが一般に認識されていました。 ^[44]^{: 199}^[1]^{: 299}この関係式Δ x ⋅Δ p ≥ 1 ⁄ 2 ħは、原子核の大きさの領域に閉じ込められた電子が通常約 40 MeV の運動エネルギーを持つことを意味し、^[1]^{: 299}^[b]これは、原子核から放出されるベータ粒子の観測されたエネルギーよりも大きいです。^[1]このようなエネルギーは、核子の結合エネルギーよりもはるかに大きく、^[47]^{: 89}アストンらは、核子あたり 9 MeV 未満であることを示しました。^[48]^{: 511}

1927 年、キャベンディッシュ研究所のチャールズエリスと W. ウースターは、β 崩壊電子のエネルギーを測定しました。彼らは、特定の放射性核からのエネルギー分布は広く連続的であることを発見しました。これは、アルファ崩壊とガンマ崩壊で観察される明確なエネルギー値とは著しく対照的な結果でした。さらに、連続的なエネルギー分布は、この「核電子」プロセスによってエネルギーが保存されないことを示しているように思われました。実際、1929 年にボーアは、連続的なエネルギー分布を説明するためにエネルギー保存の法則を修正することを提案しました。この提案は、ヴェルナーハイゼンベルクの支持を得ました。量子力学の法則が古典力学の法則を覆したばかりであったため、このような考慮は明らかに合理的でした。

これらすべての考察は、原子核内に電子が存在できないことを「証明」するものではなかったが、物理学者にとっては混乱を招き、解釈が難しいものであった。上記の議論が間違っている理由を説明するために、多くの理論が考案された。^[49]^{: 4–5} 1931年のモノグラフで、ガモフはこれらすべての矛盾をまとめ、原子核内の電子に関する記述に警告記号を付けた。^[43]^{: 23}

中性子の発見

1930年、ドイツのギーセンでヴァルター・ボーテと協力者のヘルベルト・ベッカーは、ポロニウムから放出された高エネルギーのアルファ粒子が特定の軽元素、具体的にはベリリウム（⁹
₄なれ
）、ホウ素（¹¹
₅B
）、またはリチウム（⁷
₃李
）では、異常に透過性の高い放射線が発生した。^[50]最も強力な放射線を生成したのはベリリウムであった。ポロニウムは放射性が高く、エネルギーの高いアルファ線を生成し、当時は散乱実験によく使用されていた。^[41]^：99–110アルファ線は荷電粒子で構成されているため、電場の影響を受ける可能性がある。しかし、観測された透過性放射線は電場の影響を受けなかったため、ガンマ線であると考えられた。この放射線は既知のどのガンマ線よりも透過性が高く、実験結果の詳細を解釈することは困難であった。^[51]^[52]^[41]

2年後、パリのイレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオは、この未知の放射線がパラフィンワックス、またはその他の水素含有化合物に当たると、非常に高いエネルギー（5MeV）の陽子が放出されることを示した。^[53]この観察自体は、新しい放射線の想定されたガンマ線の性質と矛盾しなかったが、その解釈（コンプトン散乱）には論理的な問題があった。エネルギーと運動量の考慮から、ガンマ線は、質量の大きい陽子を散乱させるには、あり得ないほど高いエネルギー（50MeV）を持たなければならない。^[5]^{: §1.3.1}ローマでは、若い物理学者エットーレ・マヨラナが、新しい放射線が陽子と相互作用する方法には、陽子と同じくらい重い中性粒子が必要であると宣言したが、エンリコ・フェルミの勧めにもかかわらず、その結果を発表することを断った。^[54]

パリ実験の結果を聞いたラザフォードとキャベンディッシュ研究所のジェームズ・チャドウィックも、ガンマ線仮説はエネルギー保存則が成り立たないとして信じなかった。^[55]ノーマン・フェザーの助けを借りて、^[56]チャドウィックはすぐに一連の実験を行い、ガンマ線仮説が成り立たないことを確認した。前年、チャドウィック、JERコンスタブル、ECポラードは、ポロニウムからのアルファ線を使用して軽元素を崩壊させる実験をすでに行っていた。^[57]彼らはまた、放出された陽子を検出、計数、記録するためのより正確で効率的な方法も開発していた。チャドウィックは、アルファ粒子を吸収するベリリウムを使用して、放射線の生成を繰り返した：⁹ Be + ⁴ He (α) → ¹² C + ¹ n。パリ実験の後、彼は、水素含有量が多い炭化水素であるパラフィンワックスに放射線を向けた。パリの実験と同様に、放射線は陽子の一部を激しく散乱させた。チャドウィックはこれらの陽子の飛程を測定し、また新しい放射線が様々なガスの原子にどのような影響を与えるかを測定した。^[58]反跳エネルギーの測定により、放射線粒子の質量は陽子の質量と同程度でなければならないことが示された。つまり、新しい放射線はガンマ線ではあり得ないということである。陽子とほぼ同じ質量を持つ無電荷粒子は、ラザフォードが1920年に説明し、後に中性子と呼ばれるようになった特性と一致した。^[59]^[6]^[60]^[61]チャドウィックはこの発見により1935年にノーベル物理学賞を受賞した。 ^[62]

1932年は、中性子、コッククロフト・ウォルトン粒子加速器による人工的な原子核崩壊、陽電子の発見により、後にキャベンディッシュ研究所の原子核物理学にとって「奇跡の年」と呼ばれるようになった^[58]。

原子核の陽子・中性子モデル

陽子-電子モデルの問題を考慮すると、^[43]^[63]原子核は陽子と中性子で構成されていることがすぐに受け入れられたが、中性子の正確な性質は当初不明であった。中性子の発見から数か月以内に、ヴェルナー・ハイゼンベルク^[64]^[65]^[66]^[61]とドミトリ・イヴァネンコ^[67]は原子核の陽子-中性子モデルを提案した。^[68]ハイゼンベルクの画期的な論文は、量子力学を通じて原子核内の陽子と中性子の記述にアプローチした。ハイゼンベルクの原子核内の陽子と中性子の理論は「原子核を量子力学システムとして理解するための大きな一歩」であったが、^[69]彼は依然として原子核電子の存在を前提としていた。特に、ハイゼンベルクは中性子が陽子と電子の複合体であると仮定しましたが、これには量子力学的説明がありません。ハイゼンベルクは、軽量の電子が原子核内でどのように結合するのかを説明できませんでした。ハイゼンベルクは、核子を結合する核交換力の最初の理論を導入しました。彼は、陽子と中性子は同じ粒子の異なる量子状態、つまり核アイソスピン量子数の値によって区別される核子であるとみなしました。

^陽子-中性子モデルは窒素の謎を説明した。14 Nは陽子と中性子のそれぞれ3対で構成され、さらに不対中性子と陽子がそれぞれ同じ方向に1 ⁄ 2 ħのスピンを寄与し、合計スピンが1 ħであると提案されたとき、モデルは実行可能になった。^[70]^[71]^[72]すぐに、中性子は多くの異なる核種のスピンの違いを同じように自然に説明するために使用されました。

原子核の陽子‐中性子モデルが多くの問題を解決したとすれば、ベータ線の起源を説明する問題が浮き彫りになった。既存の理論では、電子、つまり陽電子^[73]が原子核からどのように放出されるかを説明できなかった。^[74] 1934年、エンリコ・フェルミはベータ崩壊の過程を説明した古典的な論文を発表した。ベータ崩壊では、中性子が電子と（当時未発見の）ニュートリノを生成して陽子に崩壊する。 ^{[75]この論文では、}光子、つまり電磁放射線が原子過程で同様に生成され、破壊されるというアナロジーを採用した。イヴァネンコは1932年に同様のアナロジーを提案していた。^[70]^[76]フェルミの理論では、中性子はスピン1 ⁄ 2粒子であることが求められる。この理論は、ベータ粒子の連続的なエネルギー分布によって疑問視されていたエネルギー保存の原理を維持した。フェルミが提唱したベータ崩壊の基本理論は、粒子がどのように生成され、破壊されるかを示した最初の理論でした。この理論は、弱い力または強い力による粒子の相互作用に関する一般的な基本理論を確立しました。^[75]この影響力のある論文は時の試練に耐えましたが、その中のアイデアは非常に斬新だったため、 1933年にネイチャー誌に初めて投稿されたときには、あまりにも推測的すぎるとして却下されました。^[69]

中性子の性質

中性子が陽子と電子の複合粒子であるかどうかという疑問は、その発見後数年間続いた。^[77]^[78] 1932年にハリー・マッシーは、複合中性子のモデルを検討し、その物質に対する大きな透過力と電気的に中性であることなどを説明しました。 ^[79]この問題は、唯一の素粒子は陽子と電子であるという1920年代からの一般的な見解の名残でした。

中性子の性質は、1933年10月に開催された第7回ソルベー会議で主要な議論のテーマであり、ハイゼンベルク、ニールス・ボーア、リーゼ・マイトナー、アーネスト・ローレンス、フェルミ、チャドウィックなどが出席した。^[69]^{[80] 1933年の}ベーカリアン講演でチャドウィックが提起したように、主要な問題は陽子に対する中性子の質量であった。中性子の質量が陽子と電子の合計質量（1.0078 Da ）であれば、原子核結合エネルギーによる質量欠損のため、中性子は陽子と電子の複合体である可能性がある。合計質量よりも大きい場合、中性子は陽子と同様に素粒子である。^[60]電子の質量は陽子のわずか0.05％であるため、この質問に答えるのは困難であり、非常に正確な測定が必要であった。

測定の難しさは、1932年から1934年にかけて得られた中性子の質量の幅広い値からわかる。今日受け入れられている値は1.008 66 Da。チャドウィックは1932年にこの発見を報告した論文で、中性子の質量を1.005 Daと1.008 Da^[55]ホウ素にアルファ粒子を照射することで、フレデリックとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーは高い値を得た。1.012 Daであるのに対し、カリフォルニア大学のアーネスト・ローレンスのチームは、新しいサイクロトロンを使用して1.0006 Daを実現しました。^[81]

1935年、チャドウィックと博士課程の学生モーリス・ゴールドハーバーは、中性子の質量の初めての正確な測定結果を報告することでこの問題を解決した。彼らは、タリウム208（^{208Tl ）（当時は}トリウムCと呼ばれていた）の2.6MeVガンマ線を使用して重陽子を光崩壊させた。^[82]

この反応では、結果として生じる陽子と中性子の質量はほぼ同じであるため、運動エネルギーはほぼ同じです。結果として生じる陽子の運動エネルギーは測定可能（0.24 MeV）であり、したがって重陽子の結合エネルギーは決定できます（2.6 MeV − 2（0.24 MeV）= 2.1 MeV、または0.0023 Da）。中性子の質量は単純な質量バランスで決定できる。

ここで、m _d,p,nは重陽子、陽子、または中性子の質量を指し、「be」は結合エネルギーです。重陽子と陽子の質量は既知であり、チャドウィックとゴールドハーバーはそれぞれ2.0142 Daと1.0081 Daの値を使用しました。彼らは中性子の質量が陽子の質量よりわずかに大きいことを発見しました。1.0084 Daまたは1.0090 Daで、重陽子の質量に使われる正確な値によって異なります。^[7]中性子の質量は陽子と電子の複合体としては大きすぎたため、中性子は素粒子として識別されました。^[55] チャドウィックとゴールドハーバーは、自由中性子が陽子、電子、ニュートリノに崩壊できると予測しました（ベータ崩壊）。

1930年代の中性子物理学

中性子の発見後すぐに、中性子の磁気モーメントが予想外の非ゼロ値を持つことを示唆する間接的な証拠が得られた。中性子の磁気モーメントを測定する試みは、1933年にハンブルクでオットー・シュテルンが陽子の磁気モーメントが異常に大きいことを発見したことに始まった。^[83]^{[84] 1934年までに、現在}ピッツバーグにいるシュテルンとニューヨークのII・ラビが率いるグループは、陽子と重陽子の磁気モーメントを測定することで、中性子の磁気モーメントが負で予想外に大きいことを独立に推測した。^[78]^[85]^[86]^[87]^[88]中性子の磁気モーメントの値は、アナーバーのロバート・バッハー^[89] (1933)とソ連のIYタムとSAアルトシュラー^[78]^[90] (1934)によっても原子スペクトルの超微細構造の研究から決定された。1930年代後半までに、中性子の磁気モーメントの正確な値は、新たに開発された核磁気共鳴技術を用いた測定によりラビグループによって推定された。^[88]陽子の磁気モーメントの大きな値と中性子の磁気モーメントの推定値が負であることは予想外であり、多くの疑問が生じた。^[78]

中性子の発見は、科学者に原子核の特性を調べるための新しいツールを直ちに与えた。アルファ粒子は過去数十年にわたり散乱実験に使用されてきたが、ヘリウム原子核であるそのような粒子は+2の電荷を持っている。この電荷により、アルファ粒子がクーロン反発力を克服して原子核と直接相互作用することが困難になる。中性子は電荷を持っていないため、原子核と相互作用するためにこの力を克服する必要はない。彼らの発見とほぼ同時に、中性子はチャドウィックの同僚で弟子のノーマン・フェザーによって窒素の散乱実験に使用された。^{[91]フェザーは、窒素原子核と相互作用する中性子が陽子に散乱するか、または窒素を誘発してアルファ粒子を放出して}ホウ素を形成することを示すことができた。したがって、フェザーは中性子が原子核崩壊を引き起こすことを初めて示した人物である。

ローマでは、エンリコ・フェルミと彼のチームが、より重い元素に中性子を照射し、その生成物が放射性であることを発見した。1934年までに、彼らは中性子を使用して22種類の元素に放射能を誘発したが、これらの元素の多くは原子番号が大きいものであった。フェルミは、彼の研究室での他の中性子実験が大理石のテーブルよりも木製のテーブルで行った方がうまくいったことに気づき、木の陽子が中性子を減速させ、中性子が原子核と相互作用する機会を増やしているのではないかと考えた。そこでフェルミは、中性子をパラフィンワックスに通して減速させたところ、照射されたいくつかの元素の放射能が数十から数百倍に増加することを発見した。^{[92]原子核との相互作用}断面積は、高速中性子よりも低速中性子の方がはるかに大きい。 1938年、フェルミは「中性子照射によって生成される新しい放射性元素の存在を実証し、低速中性子によって引き起こされる核反応を発見した」としてノーベル物理学賞を受賞した。^[93]^[94]後にフェルミはチャンドラセカールに、当初はそこに鉛を置くつもりだったが、説明できない直感により代わりにパラフィンをその場所に置いたと語った。^[95]^[96]

ベルリンでは、リーゼ・マイトナーとオットー・ハーンが、助手のフリッツ・シュトラスマンとともに、フェルミとそのチームが中性子をウランに照射して始めた研究をさらに進めた。1934年から1938年にかけて、ハーン、マイトナー、シュトラスマンは、これらの実験から多数の放射性核変換生成物を発見し、そのすべてを超ウラン核種とみなした。^[97]超ウラン核種とは、原子番号がウラン（92）よりも大きく、中性子吸収によって生成される核種であり、このような核種は自然界には存在しない。1938年7月、マイトナーはアンシュルス後のナチス・ドイツでの反ユダヤ主義の迫害から逃れることを余儀なくされ、スウェーデンで新しい職を確保することができた。 1938年12月16日～17日に行われた決定的な実験（「ラジウム・バリウム・メソトリウム分別」と呼ばれる化学プロセスを使用）では不可解な結果がもたらされた。ラジウムの3つの同位体であると理解されていたものが、一貫してバリウムとして振舞っていたのである。^[9]ラジウム（原子番号88）とバリウム（原子番号56）は同じ化学グループに属している。1939年1月までにハーンは、彼らが超ウラン核種だと思っていたものは、バリウム、ランタン、セリウム、軽白金族などのはるかに軽い核種であると結論付けていた。マイトナーと甥のオットー・フリッシュは、これらの観察結果を、フリッシュが作った造語である核分裂の結果であると即座に正しく解釈した。 ^[98]

ハーンとその共同研究者は、中性子の吸収によって不安定になったウラン原子核がより軽い元素に分裂するのを発見した。マイトナーとフリッシュはまた、ウラン原子1個あたりの核分裂で約200MeVのエネルギーが放出されることを示した。核分裂の発見は、世界中の原子物理学者と一般大衆を驚かせた。^[9] 核分裂に関する2番目の論文で、ハーンとシュトラスマンは、核分裂の過程で追加の中性子が存在し、解放されることを予測した。^[99] フレデリック・ジョリオとそのチームは、1939年3月にこの現象が連鎖反応であることを証明した。1945年、ハーンは「重原子核の核分裂の発見」により1944年のノーベル化学賞を受賞した。 ^[100]^[101]

1939年以降

1938年末の原子核分裂の発見は、核研究の中心がヨーロッパから米国に移ったことを意味した。ヨーロッパでの紛争や反ユダヤ主義、そして迫りくる戦争から逃れるために、多くの科学者が米国に移住していた^[102]^{: 407–410} （ユダヤ人科学者とマンハッタン計画を参照）。核研究の新たな中心は米国の大学、特にニューヨークのコロンビア大学とエンリコ・フェルミが移住したシカゴ大学、 ^[103]^{[104]そして1942年に設立された}ニューメキシコ州ロスアラモスの秘密研究施設であり、ここがマンハッタン計画の新たな拠点となった。^{[105]この戦時中の計画は、中性子ベースの連鎖反応によるウランや}プルトニウムの核分裂によって放出される莫大なエネルギーを利用して核兵器を製造することに重点が置かれていた。

1932 年の中性子と陽電子の発見は、多くの新しい粒子の発見の始まりでした。ミューオンは1936 年に発見されました。パイ中間子とK中間子は 1947 年に、ラムダ粒子は1950 年に発見されました。1950 年代から 1960 年代にかけて、ハドロンと呼ばれる粒子が大量に発見されました。これらすべての粒子を体系化する分類法は、1964 年にマレー・ゲルマン^[106]とジョージ・ツヴァイク^[107]^{[108]によって独立に提案され、}クォークモデルとして知られるようになりました。このモデルによると、陽子や中性子などの粒子は基本粒子ではなく、パートンまたはクォークと呼ばれる他の少数の本当に基本となる粒子のさまざまな構成で構成されます。クォークモデルは 1960 年代後半から実験的に検証され、最終的に中性子の異常磁気モーメントの説明を提供しました。^[109]^[10]

ビデオ

アーネスト・ラザフォードは 1935 年の原子物理学の状況を要約しています。(7 分、Nobelprize.org)
ハンス・ベーテがチャドウィックとゴールドハーバーの重陽子崩壊に関する研究について語ります。(2 分、Web of Stories)

説明ノート

^ コバルトの原子番号と原子量はそれぞれ 27 と 58.97 であり、ニッケルの原子番号と原子量はそれぞれ 28 と 58.68 である。
^半径 rが5×10 ⁻¹³ cm程度の原子核では、不確定性原理によれば電子の運動量pはh / r程度になるはずである。このような運動量は、電子が約40MeVの（相対論的）運動エネルギーを持つことを意味する。^[47]^{: 89}

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さらに読む

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中性子の発見

放射能の発見

金箔実験と原子核の発見

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核電子仮説の問題点

中性子の発見

原子核の陽子・中性子モデル

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