年表_物理学/化学_20-Q1

ﾉｰﾍﾞﾙ賞の受賞の開始。第1回目は物理学賞(ﾚﾝﾄｹﾞﾝ)、化学賞(ﾌｧﾝﾄ･ﾎﾌ)、医学生理賞(ﾌｫﾝ･ﾍﾞｰﾘﾝｸﾞ)が受賞。

F･ｴﾙﾝｽﾄ･ﾄﾞﾙﾝ

ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞ

ﾄﾞｲﾂ

ｴﾏﾈｰｼｮﾝ(ｴﾏﾅﾁｵﾝ)

※気体の放射性元素、ﾗﾄﾞﾝ(Rn)

ﾄﾘｳﾑやﾗｼﾞｳﾑなどある種の放射性元素が存在すると、周囲の気体が放射性を帯び、この気体(元素)をｴﾏﾈｰｼｮﾝと呼んだ。またｴﾏﾈｰｼｮﾝに晒された物質もまた、放射性を持つようになる。

※このｴﾏﾈｰｼｮﾝは、ﾄﾘｳﾑやﾗｼﾞｳﾑといったｳﾗﾝ系列の放射壊変によって生じた放射性希ｶﾞｽ元素であるﾗﾄﾞﾝ(Rn)である。ﾗﾄﾞﾝは全ての同位体が放射性元素であり、最も安定なもの(222Rn)でも半減期が3.825日である。

電子の質量の速度による変化

物体は光速度を越えられない

Ra線源のβ線(高速電子)を電磁場で屈曲させる実験から、電子の質量が速度に依存し、一般的な放電管や真空管で得られる電子に比べてβ線の電子の質量はかなり大きいことを発見した。β線は約100万Vの電圧で加速させた高速電子に相当(光速度の約95%)し、低速電子の約3.8倍の質量を持った状態になる。

この実験結果は、物質(電子)を加速させて光速度に迫っても質量が無限大に向かって増加することで、さらに加速させることが難しくなり、人間が用意できるｴﾈﾙｷﾞｰでは光速度は超えられない仕組みが働いていることを示している。こうした実験事実もｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの特殊相対性理論を考える出発点となったと思われる。

ｱﾄﾞﾙﾌ･ﾌﾗﾝｸ

ｶﾛ

石灰窒素法

(ﾌﾗﾝｸ=ｶﾛ法)

ｶﾙｼｳﾑ･ｶｰﾊﾞｲﾄﾞ(炭化ｶﾙｼｳﾑ)を大気中の窒素と結合させ、石灰窒素の合成に成功。電力は放電法に比べて1/4で済むため省ｴﾈである。石灰窒素は動植物に対して毒性があるため、農薬と肥料の両方の効果が見込まれる。

統計力学の確立

教科書の出版

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

光電効果の詳細な研究

※入射光と光電子の関係

ﾍﾙﾂにより既に光電効果(1888年)は発見されていたが、ﾚｰﾅﾙﾄは簡単な電気回路を用いて光電効果により発生する光電子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰの挙動を詳しく調べた。

ﾚｰﾅﾙﾄは、金属面(ｴﾐｯﾀｰ電極)に照射する入射光をﾌﾟﾘｽﾞﾑで調整可能な単色光とした。光電効果によりｴﾐｯﾀｰ電極から真空へ飛び出した光電子が、反対側にあるｺﾚｸﾀｰ電極まで到達すれば電流(光電流と呼ぶ)が流れ、電流計で検出できる。光電子の持つ運動ｴﾈﾙｷﾞｰを知るために、ｴﾐｯﾀｰ電極とｺﾚｸﾀｰ電極の間に調整可能な阻止電圧を掛けて光電流を測定した。ﾚｰﾅﾙﾄは、入射光の波長(振動数)、阻止電圧、光電流の強さの関係から光電効果に関する以下の挙動(法則)を発見した。

①振動数が同じ光を照射する限り、光電子のｴﾈﾙｷﾞｰに変化はなく、光の強弱に対応するのは、光電子の数(⇒光電流の強さ)である。

②ある振動数以下の光では、どんなに光の強度を高めても光電子は全く飛び出ない(⇒光電流はなし)。しかしそれ以上の振動数の光では、光電子の数(⇒光電流)は振動数の高まりに応じて増える。

ﾌﾚﾃﾞﾘｯｸ･ｿﾃﾞｨ

ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞ

ｲｷﾞﾘｽ

放射性元素の崩壊説(放射壊変)

※科学的な錬金術の可能性

ｴﾏﾈｰｼｮﾝ(放射性の気体)の性質を調べた結果、ﾗｼﾞｳﾑ(Rn)やﾄﾘｳﾑ(Th)などの放射性元素は、放射線(α線,β線,γ線)を出すことによって別の元素に変換されていく一連の現象(放射壊変)を発見した。

放射壊変により当該元素の含有量が半減する期間(半減期と呼ぶ)は元素の種類ごとに一定であること、化学反応とは比べものにならない莫大なｴﾈﾙｷﾞｰを生み出す永続的なｴﾈﾙｷﾞｰ源であることを指摘した。

【半減期を利用した年代測定】

元素の種類ごとに一定の半減期があることは後年、岩石などの年代測定に利用される。

ｵｽﾄﾜﾙﾄ法(硝酸の製法)

1902年に硝酸の工業的大量生産の決定版であるｵｽﾄﾜﾙﾄ法(Pt触媒によるｱﾝﾓﾆｱの酸化)の特許は出願された。硝酸は爆薬や肥料の原料として使用される。

※硝酸の原料となるｱﾝﾓﾆｱの初合成は1909年、工業的製法(ﾊｰﾊﾞｰ･ﾎﾞｯｼｭ法)の確立は1912年である。

自転軸のZ項の導入

緯度変化の研究

翼の揚力の理論

ｸｯﾀ=ｼﾞｭｺｰｽﾌｷｰの定理

成層圏の発見

ｲｷﾞﾘｽは太平洋横断海底ｹｰﾌﾞﾙの敷設を完了した。これによりｲｷﾞﾘｽは当時の植民地を結ぶ大きなｹｰﾌﾞﾙ網を構築した。1901年頃の海底ｹｰﾌﾞﾙ網を見ると、世界各地の情報はｲｷﾞﾘｽに集まっている様子が分かる。

なお実用可能な大西洋横断海底ｹｰﾌﾞﾙは1866年に敷設されている。

論文『反作用利用装置による宇宙探検』

人工衛星打上げの理論

1903 

ﾗｼﾞｳﾑの発熱量の測定

※1時間で同量の水を沸騰させるほどの熱量

当時、ﾗｼﾞｳﾑのような放射性元素は永続的なｴﾈﾙｷﾞｰ源と見られ、まるでｴﾈﾙｷﾞｰ保存則が破綻したかのような不可解な現象であった。1903年にﾋﾟｴｰﾙ･ｷｭﾘｰがﾗｼﾞｳﾑが放射する熱を測定している。

ﾗｼﾞｳﾑ1gで、1時間当たり約100calの熱量を放出する。これは1時間で同じ量の水を0度から沸騰(100度)させるほどの熱量である。ｶﾞｿﾘﾝ1gの発熱量は10400calであるが、ﾗｼﾞｳﾑ1gで4.3日間あれば同等の熱量が得られる。ﾗｼﾞｳﾑの半減期は約1600年であることを考えると、ｶﾞｿﾘﾝ1gもはるかに大きなｴﾈﾙｷﾞｰを引き出せる。

※熱量の担い手はﾗｼﾞｳﾑから放射されるα線の運動ｴﾈﾙｷﾞｰである。

1903

ﾋﾞﾙｹﾗﾝﾄﾞ

ｱｲﾃﾞ

ﾉﾙｳｪｰ

ﾉﾙｳｪｰ

火花放電による硝酸の製法

※ﾋﾞﾙｹﾗﾝﾄﾞ･ｱｲﾃﾞ法

雷と同様に火花放電により空気中の窒素と酸素から酸化窒素NOを生成させ、硝酸を作る方法。消費電力が極めて大きいが1905年に工業化されており、ﾉﾙｳｪｰ硝石(硝酸ｶﾙｼｳﾑ)として肥料用に販売された。

ﾌﾗﾝｽ

夫婦でﾉｰﾍﾞﾙ賞を受賞

日露戦争、開始

※1904年~1905年

ｼﾞｮｾﾞﾌ･ｼﾞｮﾝ･ﾄﾑｿﾝ

(J.J.ﾄﾑｿﾝ)

ｲｷﾞﾘｽ

ｽｲｶ型原子模型

またはﾌﾟﾗﾑﾌﾟﾃﾞｨﾝｸﾞﾓﾃﾞﾙ

※ﾄﾑｿﾝの原子模型

日本

土星型原子模型

※長岡の原子模型

ﾄﾑｿﾝのｽｲｶ模型と正反対の原子ﾓﾃﾞﾙとして、長岡は土星型ﾓﾃﾞﾙを提唱。原子の中心には重い正電荷の極があり、その周囲を電子が輪を描いて回っているとした。長岡は、ﾏｸｽｳｪﾙが土星系(土星には9つ衛星がある)を取り扱った方法を参考としていて、電子が円軌道から外れて振動すれば光を出し、描く円軌道が異なれば振動の仕方も異なるだろうと考えた。長岡は複雑な線ｽﾍﾟｸﾄﾙの説明のため、常に数多くの電子を動員した。しかし水素原子ですら複雑な線ｽﾍﾟｸﾄﾙを持つ一方で、電子を一つしか含まないという説明困難な点が見られた。

【ﾄﾑｿﾝと長岡の原子模型による説明目的】

※ﾄﾑｿﾝと長岡の原子模型を比較すると、ﾄﾑｿﾝは元素周期表の説明のためのﾓﾃﾞﾙである一方で、長岡は線ｽﾍﾟｸﾄﾙの説明のためのﾓﾃﾞﾙであると言える。ﾓﾃﾞﾙの検証は原子には中心に重い正電荷の芯があるか否か(ｶﾞｲｶﾞｰ=ﾏｰｽﾃﾞﾝの実験/1909年)、ということになる。

1904

ｵﾗﾝﾀﾞ

収縮説におけるﾛｰﾚﾝﾂ変換

物理法則はﾛｰﾚﾝﾂ変換不変性である必要性を指摘

ﾛｰﾚﾝﾂは収縮説について考察を重ね、運動物体の長さだけでなく時間も収縮する公式としてﾛｰﾚﾝﾂ変換を公表した。これは二つの慣性系における時間と空間の関係を示すもので、異なる慣性系では、時間と空間の尺度がどのように変換されるかを示している。またﾛｰﾚﾝﾂはどこでも成り立つ普遍的な物理法則の構築には、物理法則がこのﾛｰﾚﾝﾂ変換に対して不変(ﾛｰﾚﾝﾂ変換不変性と呼ぶ)である必要があることを示した。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの特殊相対性理論の発表の1年前の出来事である。

数学的な面だけでいえば、ﾛｰﾚﾝﾂ変換の公式は、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが特殊相対性理論で導いたものと完全に一致する。翌1905年、ｱﾝﾘ･ﾎﾟｱﾝｶﾚはﾛｰﾚﾝﾂの理論に検討を加え、数学的によりいっそう完全な定式化を与えた。

ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞ

地球の年齢問題について言及

かつてｹﾙﾋﾞﾝ卿は、熱力学に基づいて地球の年齢を1億年程度とかなり若く見積もり(1863年)、そうした推測は地質学者らの見解と大きく乖離していた。今にしてみれば、ｹﾙﾋﾞﾝ卿の地球年齢の見積もりには、当時は未発見であった放射性物質(ｱﾝﾘ･ﾍﾞｸﾚﾙ/1896年)の存在が受け落ちていたことに起因する。地球内部にある放射性物質の熱源を加味すれば、地球の冷却速度は遅くなり、地球の年齢はもっと伸びる(地球誕生はもっと過去の出来事になる)と言及した。

ｼﾞｮﾝ･ﾌﾚﾐﾝｸﾞ

二極真空管

整流作用

ｴｼﾞｿﾝ効果の発見(1883年)では、"2つの電極"を備えたｶﾞﾗｽ管内の電流は、金属ﾌﾟﾚｰﾄ(陽極/ｱﾉｰﾄﾞ)→ﾌｨﾗﾒﾝﾄ(陰極/ｶｿｰﾄﾞ)の一方向にのみ流れた。一方向にしか電流が流れない性質(整流作用)は、電波を受信して検波(音声信号に変える)する素子として使えると考え、ﾌﾚﾐﾝｸﾞは二極真空管を発明した。

ﾌｨﾗﾒﾝﾄ(陰極)には加熱による熱電子放出の役割と、電場により熱電子を金属ﾌﾟﾚｰﾄ(陽極)へ流す役割がある。真空管のﾌｨﾗﾒﾝﾄと金属ﾌﾟﾚｰﾄの電位差は数百ﾎﾞﾙﾄが普通であるが、高電圧が必要なことは後に真空管が廃れる理由の一つとなる。

4編の重要な論文を提出

26歳のｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは4編の論文をｱﾅｰﾚﾝ･ﾃﾞｱ･ﾌｨｼﾞｰｸ(物理学年報)誌に発表する。いずれも物理学の本質に迫る論文であった。

論文①(1905年6月)：光量子仮説による光電効果の説明

論文②(1905年7月)：ﾌﾞﾗｳﾝ運動における分子の質量の直接測定、分子の実在性

論文③(1905年9月)と論文④(1905年11月)：特殊相対性理論

論文①『光の発生･変換の発見法的視点』

※3月執筆、6月論文掲載

光量子仮説

光電効果の理論的説明

qV=hf－P

光子 (光の粒子性) ※ｴｰﾃﾙ不要?

光子の運動量p=h/λ

光の二重性(粒子かつ波)

【光の量子化の適用範囲の拡張】

ﾌﾟﾗﾝｸは、空洞内の熱平衡における放射ｽﾍﾟｸﾄﾙに限定してｴﾈﾙｷﾞｰ量子仮説を提唱したが、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはｴﾈﾙｷﾞｰの量子化を一般的な光の特徴へと拡張する形で光量子(後の光子)を導入した(光量子仮説)。

【光量子仮説と光電効果の説明】

光は粒子(光量子と呼ぶ)の集まりであり、個々の光量子はその振動数vに対応した最小単位となるｴﾈﾙｷﾞｰ(E=hv)を持つと考えた。また強い光とは光量子の数が多いことを意味し、単一波長のnこの光量子の総ｴﾈﾙｷﾞｰはE=nhvと表される。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの光量子仮説は、ﾚｰﾅﾙﾄが実施した光電効果の実験(1902年)をうまく説明し、実験室で検証可能な入射光ｴﾈﾙｷﾞｰhf、阻止電圧V、光電子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰPの関係式qV=hf－P(※qは電荷)提示した。

質量のない光量子の運動量と波長の関係式(p=h/λ)では、粒子性(p)と波動性(λ)を併呑し、粒子性を表す運動量pはﾌﾟﾗﾝｸ定数hを介して波動性を表す波長λで結び付けられる。光を粒子としながらも、その運動量やｴﾈﾙｷﾞｰの計算には波の考え方なしには表されず、従来とは異なる概念の粒子と言える。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは光の波動性を否定せず、光は波動性と粒子性の相反する性質を併せ持つと考えた。光は物質との相互作用の仕方に応じて波動性を強めたり、粒子性を強めると考えた。

【古典電磁気学(ﾏｸｽｳｪﾙ電磁気学)による光電効果の説明矛盾】

古典電磁気学は光は粒子でなく波動である。光の強度(波高)の増加すれば電子に与えられるｴﾈﾙｷﾞｰも増加する。電子が受け取るｴﾈﾙｷﾞｰは光の振動数(波長)には無関係。

論文②『熱の分子運動理論から要求される静止した液体中の懸濁粒子の運動』

※4月執筆、7月論文掲載

ﾌﾞﾗｳﾝ運動の理論式

⇒分子の質量の直接測定

分子の実在性(分子理論)の主張

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは分子の存在を前提として、ﾌﾞﾗｳﾝ運動における微粒子の動きを、液体温度、粘性係数、粒子ｻｲｽﾞ、観測時間を変数として与えられる理論式を提出した。

水に浮かぶ粒子が大きい場合には表面積が十分に大きく、粒子が受ける水分子からの圧力は単位時間当たりで均一となるため、粒子は静止している。一方、懸濁する小さな粒子になると、表面積が小さくなり瞬間的に水分子の圧力が特定の方向に偏る状況(ゆらぎ)が生じる。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは水分子による懸濁粒子の平均変位(位置の移動の長さ)を調べ、上記の変数に依存する理論式を示した。また理論式には気体定数R(J･K^-1･mol^-1)とｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ定数が含まれる。

論文の最後に「ここに提起した熱理論に関する重要な問題を間もなく、研究者の誰かが解決してくれることを願う!」と書き、ｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ数の測定を実験家に呼び掛けている。

※1909年にｼﾞｬﾝ･ﾍﾟﾗﾝにより、この理論式をもとにｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ定数が実験的に求められた。原子や分子の実在性の証明に至る。

論文③『運動物体の電気力学』

※6月執筆、9月論文掲載

特殊相対性理論

公理①：(特殊)相対性原理

公理②：光速度不変の原理

論文③は、第1部の運動学と第2部の電気力学から構成される。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは、異なる慣性系(等速直線運動)において力学的にも電磁気学的にも観測者の立場によらず物理法則は変化しないという原理(相対性原理)を前提に据えた。相対性原理が求めることはﾆｭｰﾄﾝ力学で前提となる絶対空間と絶対時間を否定であり、電磁気学で想定される光速度にｽﾞﾚを生じさせると考えられた静止ｴｰﾃﾙの否定である。代わりに相対性原理がもたらしたものは、観測者(慣性系)ごとに異なる時間と空間の存在と、全ての観測者(慣性系)にとって光速度は常に一定となる世界である。なお後者は、光速度不変の原理と呼ばれ、特殊相対性理論を打ち立てるための2大原理の一つとなっている。

光速度の不変性(一定)は、1881年にﾏｲｹﾙｿﾝ=ﾓｰﾘｰの実験で実証されており、静止ｴｰﾃﾙの存在は否定されたと見ることができる。但し、当時はそれでもｴｰﾃﾙの存在を維持したまま、実験結果と整合するよう光速度一定の理屈(長さの収縮説など)を捻りだそうとする物理学者は大半だった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはこの実験から、力学、電磁気学の双方において絶対静止(宇宙空間における基準点の存在)の概念を裏付ける根拠はないと判断した。このことは既にｴﾙﾝｽﾄ･ﾏｯﾊがその著書(力学 批判的発展史/1883年)で言及していたが、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝもその考え方に立脚したと言える。

論文冒頭で「光を伝える媒質(ｴｰﾃﾙ)に対する地球の相対的な運動を調べようとして、失敗に終わった試み(1887年/ﾏｲｹﾙｿﾝ=ﾓｰﾘｰの実験)等から力学のみならず電磁気学でも絶対静止の概念を裏付ける現象は存在しないと推測できる」と述べた。つまり、「なぜ光の速度は観測者が止まっていても動いていても、(真空中では)常に一定速度で観測されるのか」という疑問に答える理論として特殊相対性理論は発表された。特殊相対性理論は、①相対性原理(慣性系ではいかなる物理法則も座標系の選び方に拠らず同じ)と②光速度不変の原理(光源に対する慣性系に関係なく誰しも光の速度は同じに見える)という2つの公理(前提)から導出される理論体系である。

①相対性原理:すべての慣性系で、物理法則は同一形式で表される

②光速度不変の原理:すべての慣性系で、光源の速度に関係なく光速度は常に一定

自身と異なる慣性系の物理量(電場/磁場/時間/空間/質量など)がどのように見えるのか説明する。

【ｺﾍﾟﾙﾆｸｽ的転回とｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ的転回】

天動説、地動説、ﾆｭｰﾄﾝ力学の絶対空間、電磁気学の静止ｴｰﾃﾙという風に、何かしら宇宙のどこかに空間的な絶対基準(固定された足場)を求めてきた物理学を歴史上はじめて否定し、真の意味での天動説の系譜からの脱却したと評価される。ｶﾝﾄが自身の著書『純粋理性批判』の自画自賛の表現としてｺﾍﾟﾙﾆｸｽ的転回と評したが、それに倣えば、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ的転回と表されるか。

※座標系の速度変化や重力場の場合、一般相対性理論(1915-16年)へと拡張される。

論文④『物体の慣性はそのｴﾈﾙｷﾞｰに依存するか』

※11月論文掲載

特殊相対性理論

ｴﾈﾙｷﾞｰと質量の関係(E=mc^2)

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは特殊相対性理論の論文『運動物体の電気力学』の発表から2ヵ月後、姉妹編として論文『物体の慣性はその物体の含むｴﾈﾙｷﾞｰに依存するであろうか』を発表した。ここでｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは、電気力学の研究の結果から興味深い結論が導かれるとして、ｴﾈﾙｷﾞｰと質量の比例則(E=mc^2)を初めて明らかにした。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは論文の最後にE=mc^2の検証方法として、ｴﾈﾙｷﾞｰが多量に変化する物体(放射性物質のﾗｼﾞｳﾑなど)を用いることを挙げている。

【保存則の歴史を振り返る】

ﾆｭｰﾄﾝ力学の発展の過程で、力学的ｴﾈﾙｷﾞｰの保存則を指摘したのはﾗｸﾞﾗﾝｼﾞｭ(書物『解析力学』/1788年)であり、これは位置ｴﾈﾙｷﾞｰと運動ｴﾈﾙｷﾞｰの変換･統合である。その翌年、定量分析によりﾗｳﾞｫｱｼﾞｴ(書物『化学原論』/1789年)が質量保存の法則を提唱しており、これは化学反応前後の質量において無から有は生じないという法則であり、化学反応は構成粒子の組み合わせの交換(変換)であり、その総量は変わらないという法則だ。

さらに時代は下り、ﾗｸﾞﾗﾝｼﾞｭが対象とした力学的ｴﾈﾙｷﾞｰ以外に、光、熱、化学、電気、磁気など様々なｴﾈﾙｷﾞｰ形態と、各ｴﾈﾙｷﾞｰ形態間の変換やその効率性(⇒熱力学)までも議論され始めた。そうした中で一般的なｴﾈﾙｷﾞｰ保存則を指摘したのは、ﾕﾘｳｽ･ﾏｲﾔｰ(書物『無生物界の力の所見』/1824年)である。

以上のように大きく分けて、ｴﾈﾙｷﾞｰと質量はそれぞれ別々の保存則があった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは特殊相対性理論の帰結として、質量をｴﾈﾙｷﾞｰ形態の一つとして取り込み、より拡張したｴﾈﾙｷﾞｰ保存則に従う、ｴﾈﾙｷﾞｰと質量の変換式(E=mc^2)を示した。

長周期型周期表

ｼﾞｮｾﾞﾌ･ｼﾞｮﾝ･ﾄﾑｿﾝ

(J.J.ﾄﾑｿﾝ)

水素原子の電子は1個

X線を金属に照射すると、元素固有の波長を持つ特性X線(光の照射により発生する特性X線を特に蛍光X線と呼ぶ)が発生することを発見した。

1907年にはｻﾄﾞﾗｰとの共同で、重元素から発生する2種類の特性X線のうち、透過性の高いX線をK列、透過性の低いX線をL列と分類した。このK列やL列といった特性X線の発生機構の解明が、原子内電子分布の解明につながる。

ﾘｰ･ﾄﾞ･ﾌｫﾚｽﾄ

三極真空管

増幅作用

ﾌｫﾚｽﾄは二極真空管のﾌｨﾗﾒﾝﾄ(陰極)とﾌﾟﾚｰﾄ(陽極)の間に、もう一つ別の電極(ｸﾞﾘｯﾄﾞ(制御格子)と呼ばれる粗い網状の電極)を入れた三極真空管を発明した。

ｸﾞﾘｯﾄﾞ電圧は通常、陰極(熱電子放出)に対してﾏｲﾅｽ電位に印加し、調整することで陰極と陽極の間の電流(ﾌﾟﾚｰﾄ電流)や電圧(ﾌﾟﾚｰﾄ電圧)を指数関数的に変化させられる(増幅作用)。つまり、ｸﾞﾘｯﾄﾞ電圧の調整は梃のように働き、ﾌﾟﾚｰﾄ電流やﾌﾟﾚｰﾄ電圧を大きく変化させられる。特に三極真空管は電圧で電圧を制御できる点が特徴的で、1Vのｸﾞﾘｯﾄﾞ電圧の上昇で、数十Vのﾌﾟﾚｰﾄ電圧を上昇可能。

三極真空管は増幅作用を持つ最もｼﾝﾌﾟﾙな真空管だが、増幅率や感度向上のため補助的な電極を追加した四極や五極といった多極真空管が開発される。

論文『ﾌﾟﾗﾝｸの放射理論と比熱の理論』

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの比熱式

※固体の比熱理論

原子の熱振動の量子的振舞い

固体を構成する原子の熱振動を電磁的振動体のｱﾅﾛｼﾞｰに見立て、ﾌﾟﾗﾝｸの放射理論を使って固体の比熱を計算した(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの比熱式)を提唱)。その結果、固体の原子の熱振動もある単位量の整数倍のｴﾈﾙｷﾞｰの授受しか許されず(量子化されており)、ある低温領域に差し掛かると固体が全く熱ｴﾈﾙｷﾞｰを受け取らない状態となることから比熱がｾﾞﾛに近づくことを示した。

低温領域での固体比熱は当時、理論値から外れる点が指摘されていたが、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型によりその差が解消された。

※比熱が温度の立方に比例して減少する点はｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型でも十分な説明はできなかったが、格子振動を考慮したﾃﾞﾊﾞｲ模型により解決される(1912年/ﾃﾞﾊﾞｲ)。

特殊相対性理論は、空間も時間も絶対的でなく伸び縮みすること、そして空間と時間が互いに影響を及ぼしつつ4次元の時空を形成していることを明らかにした。直感的に把握しにくい4次元時空を手際よく視覚化したのは、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝもかつて教えを受けたﾁｭｰﾘｯﾋ連邦工科大学の数学教授ﾍﾙﾏﾝ･ﾐﾝｺﾌｽｷｰだった。かれはﾐﾝｺﾌｽｷｰ時空と呼ぶ4次元時空を使って、特殊相対性理論をｴﾚｶﾞﾝﾄな幾何学で表した。

特殊相対性理論は慣性系における理論であり、ﾐﾝｺﾌｽｷｰ時空も平坦な時空における幾何学(ﾕｰｸﾘｯﾄﾞ幾何学)を基礎とする。

等価原理

※自由落下すると無重力状態

※慣性力と重力は同じ

強磁性の理論

分子磁場、磁区の概念

ﾚｵ･ﾍﾞｰｸﾗﾝﾄﾞ

※ﾌﾟﾗｽﾁｯｸの父

ﾍﾞｰｸﾗｲﾄ

※世界初の合成ﾌﾟﾗｽﾁｯｸ

伸び盛りの電気産業では、電線用の新たな絶縁体が求められていた。当時、絶縁体に使われていたｾﾗｯｸ(天然樹脂)の需要に供給が追い付いていなかった状況下で

ﾍﾞｰｸﾗﾝﾄﾞは合成ﾌﾟﾗｽﾁｯｸであるﾍﾞｰｸﾗｲﾄを発明した。ﾍﾞｰｸﾗｲﾄはﾌｪﾉｰﾙとﾎﾙﾑｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞから作られる固い透明な樹脂であり、成型が容易で、どんな形のものも作ることができた。自動車のｴﾝｼﾞﾝ部品から人工宝石まで様々な製品の材料に利用された。

万国電気単位会議

電流の単位：国際ｱﾝﾍﾟｱ

ﾘｯﾂの結合原理

(ﾘｭｰﾄﾞﾍﾞﾘ=ﾘｯﾂの結合原理)

一般に任意の原子のｽﾍﾟｸﾄﾙ線の振動数(波数)の和または差は、当該原子の別のｽﾍﾟｸﾄﾙ線の振動数に一致するという経験則を発見。水素原子のｽﾍﾟｸﾄﾙ線を定式化したﾘｭｰﾄﾞﾍﾞﾘの式(1890年)は、波長(の逆数)を用いた表記であったが、ﾘｯﾂの結合原理は任意原子のｽﾍﾟｸﾄﾙ線に対する経験則であり、振動数(波数)を用いた表記である。

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

ﾄﾏｽ･ﾛｲｽﾞ

ﾊﾝｽ･ｶﾞｲｶﾞｰ

ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞ

ｲｷﾞﾘｽ

α粒子の正体

※+2eのﾍﾘｳﾑ原子核)

【α線の質量電荷比】

1903年、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞはα線の電場･磁場による曲がり具合から、その速度と質量電荷比を測定した。質量電荷比は2となりHeｲｵﾝと推定。

【α線の正体】

1908年、ｼﾝﾁﾚｰｼｮﾝ(放射線が蛍光物質にに当たると、その位置が明るく点状に光る現象)を利用して、α線源(ﾗｼﾞｳﾑ)から単位時間当たりに放出されるα線の粒子数を数えた。ここから単位時間当たりの電気量も測定し、α粒子1個当たりの電荷を求めた。電荷を決定したﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞは、α粒子は正電荷+2eのﾍﾘｳﾑ原子核と結論付けた。

※分光学的実証の側面では、集めたα粒子を放電管に導き、放電させその発光ｽﾍﾟｸﾄﾙがHeのそれと一致するのを確認(1909年)。

ｶﾞｲｶﾞｰｶｳﾝﾀｰ(計数管)

この時のｶﾞｲｶﾞｰｶｳﾝﾀｰの性能はα線のみ検出可能なものだった。

ﾍﾘｳﾑの液化

ﾃﾞｭﾜｰが開発した三重構造の魔法瓶を用いるｶｽｹｰﾄﾞ法により、外から順に液体空気、液体水素を用いて冷却し、最終的にｼﾞｭｰﾙ・ﾄﾑｿﾝ効果で絶対零度4.2Kでのﾍﾘｳﾑ(He)の液化に成功した。

ｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ数の測定(ﾍﾟﾗﾝの実験)

原子･分子の実在性を証明

1905年にｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが提示したﾌﾞﾗｳﾝ運動の理論式を使い、実験的にｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ数を測定した。1908年から1913年にかけて実験を続けたﾍﾟﾗﾝは、粒子の水平方向の変位を一定の時間間隔を置いて記録し、そのﾃﾞｰﾀから算出されるｱﾎﾞｶﾞﾄﾞﾛ数の平均値として約6.4×10^23の値を得ている。

ﾍﾟﾗﾝによって目に見えない原子や分子の実在性が間接的に示されたわけだが、本業績に対して送られたﾉｰﾍﾞﾙ賞(1926年)の受賞講演でﾍﾟﾗﾝは次のように述べている。

「原子、分子の存在は証明されたが、それを直接、観察できたら、物質に関する理解はさらに深まるに違いない」

【原子の直接観察】

原子の直接観察はｸﾙｰによる重元素原子の一個一個の電子顕微鏡写真(1971年)で達成された。1978年には走査型ﾄﾝﾈﾙ電子顕微鏡(STM)がｹﾞﾙﾄ･ﾋﾞｰﾆｯﾋとﾊｲﾝﾘｯﾋ･ﾛｰﾗｰにより開発され、その後の技術発展によりSTMはｵﾝｸﾞｽﾄﾛｰﾑ･ｵｰﾀﾞｰの観察のみならず原子一個一個をﾚﾝｶﾞを積むように操作することが可能になっている。

ﾊﾝｽ･ｶﾞｲｶﾞｰ

ｱｰﾈｽﾄ･ﾏｰｽﾃﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ｲｷﾞﾘｽ

α線の散乱実験

(ｶﾞｲｶﾞｰ=ﾏｰｽﾃﾞﾝの実験,ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの散乱実験)

原子の内部構造の推定

原子模型(ｽｲｶ模型と土星型模型/1904年)の検証のため原子内の重い正電荷の分布を調べる必要があった。ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ指導の下でｶﾞｲｶﾞｰとﾏｰｽﾃﾞﾝは、薄い金属箔に対するα線(正電荷のﾍﾘｳﾑ粒子)の散乱実験を実施。用いたα線源は天然の放射性元素(ﾗｼﾞｳﾑ)である。

・大半のα線は直進して箔を突き抜けるが、ごく一部(8000個に1個の割合)が箔の表面で反射され90度以上の大きな角度で散乱した。

・8種類の金属箔で同様の実験を行い、原子量が大きいほど反射されるα線の割合が増加した。

この実験から、(当時原子の構成要素として知られていた)電子よりも質量が8000倍も重いα粒子を跳ね返すだけの、正電荷を帯びた質量が局在的に存在する核のような内部構造の存在が示唆された。※1911年に正式に有核模型として発表。

1925年、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞはﾈﾙｿﾝ(ﾆｭｰｼﾞｰﾗﾝﾄﾞ)の講演『電気と物質』の中で、ｶﾞｲｶﾞｰ=ﾏｰｽﾃﾞﾝの実験について「まるで砲弾を薄い紙に目掛けて射ったら、それが手前に跳ね返ってきたときのようにびっくりした」と回想している。

ﾐﾘｶﾝの油滴実験

電子の電荷 (電気素量)

噴霧器から吹き出した油滴にX線を照射して帯電させ、そこに電場を掛けることにより油滴の上昇・落下速度を測定。油滴に働く重力、空気の粘性抵抗、ｸｰﾛﾝ力を変数とした速度算出式を作り、速度を求めることで電気素量(電子1個が持つ電荷、単位はC)を測定した。

なお、既に比電荷(電荷/質量)はJ.J.ﾄﾑｿﾝなどにより測定(1897年)されており電荷から電子1個の質量も求められた。

ｱﾝﾓﾆｱ直接合成法

※空中窒素固定法

ﾊｰﾊﾞｰは1904年からｱﾝﾓﾆｱ合成の研究に着手。高温高圧下(175気圧,550℃)で金属片のｵｽﾐｳﾑ触媒を用いた実験を行い、1909年7月に水素と窒素から直接的なｱﾝﾓﾆｱ合成に成功した。ﾊｰﾊﾞｰが実験室ﾚﾍﾞﾙで成功したこの合成法は、BASF社のﾎﾞｯｼｭが工業的製法(ﾊｰﾊﾞｰ=ﾎﾞｯｼｭ法)に発展させる。

1909 

ﾓﾎﾛﾋﾞﾁｯﾁ不連続面

地殻とﾏﾝﾄﾙの区別

ｸﾛｱﾁｱの地震学者ﾓﾎﾛﾋﾞﾁｯﾁは、地震観測で地球内部のある深さ(地下70km)を境としてP波の速度が変化することを発見し、ﾓﾎﾛﾋﾞﾁｯﾁ不連続面と命名。この境界面は地球の三層構造のうち地殻とﾏﾝﾄﾙの境界を指す。

1910

同位体(ｱｲｿﾄｰﾌﾟ)の概念

ｵｰｴﾝ･ﾘﾁｬｰﾄﾞｿﾝ

熱電子放出の理論

ｴｼﾞｿﾝが白熱電球の劣化を調べた際に発見したｴｼﾞｿﾝ効果(1883年)に対して、理論的な説明を行った。金属の加熱に伴う熱電子放出による電流密度が温度の関数となる式(ﾘﾁｬｰﾄﾞｿﾝ=ﾀﾞｯｼｭﾏﾝの式)を提示。

議題は「放射理論と量子」。

ﾍｲｹ･ｶﾏﾘﾝｸﾞ･ｵﾈｽ

ｹﾙﾋﾞﾝ卿によれば、極低温では電子は原子内の引力に囚われて電気抵抗値は増大し、電流は流れないと考えられた。しかし、水銀(Hg)を絶対温度4.2Kまで液体Heを用いて冷却すると突如として電気抵抗がｾﾞﾛまで落ち込み、電池のｽｲｯﾁを切っても電流は流れ続ける超伝導現象を発見した。

※超伝導現象の理論的説明であるBCS理論(1957年)は、約46年後となる。BCS理論では量子統計的な粒子分類においてﾌｪﾙﾐ粒子である電子の間で、何かしらの引力が働いてﾍﾟｱを作ることによりﾎﾞｰｽ粒子(ﾌｪﾙﾐ粒子が偶数個の粒子)となることで、各ﾍﾟｱが同一状態に縮退し(重ね合わされ)、超伝導現象が引き起こされると説明される。

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

原子の有核模型

(ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの原子模型)

原子核の存在確認と命名

ｶﾞｲｶﾞｰ=ﾏｰｽﾃﾞﾝの実験(1909年)をもとﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞは原子の有核模型を提唱。α線を跳ね返した正電荷をもつ原子核は10^-15m程度と推定された。原子の空間的広がり(約10^-10m)に比べて"点"(約10万分の1)に過ぎない原子核が原子の質量の大部分を担っていると説明。本ﾓﾃﾞﾙは実験結果に基づくものの、なぜ原子核の周囲に広がる電子が原子核に引き込まれることなく、原子として安定して存在し続けるのか等の説明できない点があった。以下、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの有核原子模型の問題点を記す。

①なぜ原子はその大きさを安定的に維持できるのか

電磁気学によれば、原子核に対して電子がその周囲を回転運動(加速度運動)した場合、電子はその軌道に沿って光を放出しながら自身の運動ｴﾈﾙｷﾞｰを徐々に失っていく。つまり渦巻き状に電子の円軌道は小さくなり、最後は原子核に飲み込まれ(死のらせん階段と呼ぶ)、10^-11秒後には原子は原子核ｻｲｽﾞに潰れてしまうはずである。しかし、そうはならず原子は安定的にその大きさを維持している。もはや原子の世界では、古典物理学(電磁気学)の法則が適用できない。

②なぜ原子から放射される光は線ｽﾍﾟｸﾄﾙなのか

原子のこの間、電子から発生する光の波長を想像すると、次第に短くなり連続ｽﾍﾟｸﾄﾙが得られると考えられる。しかし実際には、原子は潰れることはないし、水素原子のﾊﾞﾙﾏｰ系列(1885年)に見られるように線ｽﾍﾟｸﾄﾙが観測されている。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

論文『光の伝播に対する重力の影響』

重力による空間の歪みと光線の曲進を指摘

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは論文を発表し、光線は強い重力場で曲げられることを指摘した。この中で太陽の傍を通る光線は角度にして0.83秒ほど曲げられ、その湾曲は皆既日食の時には観測可能なはずだ、と結論付けた。なおこの検証実験は1919年まで待つことになる。ちなみに惑星で最も重い木星の近傍でも光は曲げられるが、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの計算によれば、その湾曲の大きさは太陽の1/1000でしかなかった。

※1915年に完成した一般相対性理論で再計算すると、太陽の縁をかすめる光線は以前の計算の約2倍の1.75秒曲げられることが分かった。

※1度の1/60が1分、1度の1/3600が1秒

C.T.ﾘｰｽﾞ･ｳｨﾙｿﾝ

霧箱(ｳｨﾙｿﾝ霧箱)

放射線の飛跡の可視化

霧の生成ﾒｶﾆｽﾞﾑ解明に使用した断熱膨張装置を改良し、放射線の電離作用により空気中に発生するｲｵﾝを霧の軌跡として検出できるようにした霧箱(Cloud Chamber)を作製。ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞは

ｳﾞｨｸﾄｰﾙ･ﾌﾗﾝﾂ･ﾍｽ

ｵｰｽﾄﾘｱ

=ﾊﾝｶﾞﾘｰ

宇宙線(宇宙放射線)

当時、地上付近の放射線の存在は知られていたが、それは地球内部からの放射線と考えられていた。ﾍｽは軽気球を用いて(太陽の出ていない)夜間や日食期間における高度5000mでの大気の電離現象を測定した。高度が上がるほど放射線の強度が増したため、これは太陽光ではなく宇宙(地球外)から飛来する透過力の大きい放射線と結論づけた。この宇宙起源の放射線は1925年にﾐﾘｶﾝに宇宙線と命名される

ﾎﾟｰﾙ･ﾗﾝｼﾞｭﾊﾞﾝ

双子のﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ

兄の移動にはﾛｹｯﾄの加速･減速に伴う加速度系が含まれる一方、弟の移動は慣性系である。慣性系と加速度系では時計の進み方が異なる。

ｼﾞｮｾﾞﾌ･ｼﾞｮﾝ･ﾄﾑｿﾝ

(J.J.ﾄﾑｿﾝ)

質量分析器の原型

安定同位体

正電荷を帯びたﾈｵﾝｲｵﾝの流れ(ｶﾅﾙ線,陽極線)に電磁場を作用させた。ﾈｵﾝｲｵﾝの進路は電磁場により曲げられ、照射される写真板には2つの点(感光部)が出現。これは質量の異なるﾈｵﾝ20とﾈｵﾝ22という安定同位体であった。この装置は質量分析器の原型となり、放射能を持たない安定同位体の研究に貢献する。

ﾏｯｸｽ･ﾌｫﾝ･ﾗｳｴ

ｳｫﾙﾀｰ･ﾌﾘｰﾄﾞﾘｯﾋ

ﾊﾟｳﾙ･ｸﾆｯﾋﾟﾝｸﾞ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

結晶によるX線回折(ﾗｳｴ斑点)

※X線の波動性

X線が波長の短い電磁波と考えるなら、X線の波長と同程度の距離で原子が規則正しく配列する鉱物結晶が回折格子になるとﾗｳｴは考えた。ﾗｳｴの指摘に従い、ﾌﾘｰﾄﾞﾘｯﾋとｸﾆｯﾋﾟﾝｸﾞが実証実験のため、硫化亜鉛(ZnS)の単結晶に連続X線(様々な波長を含むX線、白色X線)を照射した。その結果、写真乾板上に規則正しい斑点(ﾗｳｴ斑点と呼ぶ)が多層状に現れるX線回折像を得た。

ﾗｳｴの方程式

X線回折(ﾗｳｴ斑点)の発見の2週間後、ﾗｳｴは「三次元回折格子における回折の理論」として、ある波長のX線が結晶により回折される条件(ﾗｳｴの方程式)を発表した。

ﾍﾝﾘｰ･ﾌﾞﾗｯｸﾞ

ﾛｰﾚﾝｽ･ﾌﾞﾗｯｸﾞ

(ﾌﾞﾗｯｸﾞ父子)

ｲｷﾞﾘｽ

ｲｷﾞﾘｽ

結晶構造解析の始まり

ﾌﾞﾗｯｸﾞの条件(法則)

ﾗｳｴの理論を簡素化したﾌﾞﾗｯｸﾞの条件(X線の波長、X線の入射角、結晶の周期性の距離)を発表し、結晶構造(原子の3次元配列)を決定する方法(結晶構造解析)を提唱した。ﾗｳｴらの目的が結晶物質を用いたX線の波動性(回折現象)の実証であったのに対して、ﾌﾞﾗｯｸﾞ父子の目的はX線回折を利用した結晶物質の結晶構造の決定だった。

ﾃﾞﾊﾞｲ模型

ﾃﾞﾊﾞｲの比熱式

※固体の比熱理論

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型(1907年)に固体(結晶)全体の格子運動(ﾌｫﾉﾝ)を考慮して改善したものがﾃﾞﾊﾞｲ模型(ﾃﾞﾊﾞｲの比熱式)である。ﾃﾞﾊﾞｲ模型では、高温領域においてｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ模型同様によく一致することに加えて、低温領域においても比熱が温度の立方に比例して減少するという挙動をよく再現できている。

ｵｯﾄｰ・ｻﾞｯｸｰﾙ

ﾋｭｰｺﾞ･ﾃﾄﾛｰﾃﾞ

ﾄﾞｲﾂ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｻﾞｯｸｰﾙ=ﾃﾄﾛｰﾃﾞ方程式

※理想気体のｴﾝﾄﾛﾋﾟｰの式

S≈NklnV＋3/2NklnU

ここで粒子数Nと内部ｴﾈﾙｷﾞｰUは一定とすると、ΔS=Nkln(Vf/Vi)となり、気体の体積が2倍になるとｴﾝﾄﾛﾋﾟｰの変化は、ΔS=Nkln2だけ増加する。

1912

ｳﾞｪｽﾄ･M.ｽﾗｲﾌｧｰ

赤方偏移

※遠方銀河の後退速度の測定

遠くの銀河(系外渦巻銀河)から来るｽﾍﾟｸﾄﾙ線の波長が赤色側にずれている(赤方偏移)ことを発見。この赤方偏移は光のﾄﾞｯﾌﾟﾗｰ効果であり、遠方銀河の後退速度の測定に利用される。

ﾌﾘｯﾂ･ﾊｰﾊﾞｰ

ｶｰﾙ･ﾎﾞｯｼｭ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾊｰﾊﾞｰ=ﾎﾞｯｼｭ法

(ｱﾝﾓﾆｱの工業的製法)

ﾊｰﾊﾞｰはｱﾝﾓﾆｱ合成(1909年)の成功後、BASF社(Badische Anilin und Soda Fabrik)の援助(特許の買い取り)を受けてﾎﾞｯｼｭとともに工業化の研究を続け、1912年にｱﾝﾓﾆｱの工業的製法(ﾊｰﾊﾞｰ=ﾎﾞｯｼｭ法,HB法)を確立した。翌年には日産10ﾄﾝのｱﾝﾓﾆｱ合成工場の運転が始まった。平時には水と石炭と空気からﾊﾟﾝを作ると言われる一方、戦時には空気から火薬を作ると言われ、ﾄﾞｲﾂは第一次世界大戦で必要な全火薬原料を国内調達でき(ﾁﾘ硝石はｲｷﾞﾘｽの管理下にあり入手経路が経たれていた状態)、戦い続けることができたとされている。

※100年以上たつ現在でも大型施設と電力を要するHB法はｱﾝﾓﾆｱ製造の主流であるが、より低温･低圧で製造可能な触媒開発が進められている。

ﾍﾝﾘｰ･ﾌﾞﾗｯｸﾞ

X線分光器

食塩とﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ等の結晶構造

論文『原子と分子の構造』

ﾎﾞｰｱの原子模型

①量子条件(2πr×mv=nh)

②定常状態(ｴﾈﾙｷﾞｰ準位)

③振動数条件(遷移条件)

原子構造の量子論

※ここまで前期量子論と呼ぶ

ﾎﾞｰｱは、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの有核原子模型(1911年)の論文を読み、直感的に放射能は原子核に、元素の化学的性質は原子核の周囲を回る電子の振る舞いに起因すると見抜いたとされる。また有核原子模型の問題点とされた「なぜ原子は潰れてしまわないのか」という問題に取り組んだ。

友人から聞いた水素原子のﾊﾞﾙﾏｰ系列の関係式(ﾊﾞﾙﾏｰ/1885年)がﾋﾝﾄとなり、3つの仮定(条件)に基づいたﾎﾞｰｱの原子模型を提唱。ﾎﾞｰｱの原子模型による原子内の電子の在り様は以下の通り。

①量子条件

電子は原子核を中心とした不連続に変化する特定の軌道にのみ存在可能。

②定常状態

その軌道を回転する時は電子は光を放出せず固有のｴﾈﾙｷﾞｰ状態を維持。電子が取りうる最低ｴﾈﾙｷﾞｰの状態を基底状態という。

③振動数条件

不連続な軌道間を飛び移る(遷移)時に限り、両軌道の定常状態にある電子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰの差が光として放出(内側に遷移)もしくは吸収(外側に遷移)される。

以上の①~③に基づけば、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの有核原子模型の欠点(なぜ原子は潰れないか)は回避でき、またﾊﾞﾙﾏｰ系列の線ｽﾍﾟｸﾄﾙの説明や光量子仮説との整合性をとることができた。特に②は、回転運動する荷電粒子は絶えず光を放つことで自身の運動ｴﾈﾙｷﾞｰを消耗するという、古典物理(ﾏｸｽｳｪﾙ電磁気学)の常識を無視する大胆な前提である。

ﾎﾞｰｱの原子模型の欠点は、仮定②が成立する根拠を説明していない点、最も簡単な水素原子にしか成立しない点、放出される光の明るさ(強度)については何も示していない点である。以上の欠点は残るものの、ﾎﾞｰｱの原子模型は古典物理学と量子物理学をつなぐ橋渡しとなった。一般に、ﾌﾟﾗﾝｸの量子仮説(1900年)からﾎﾞｰｱの原子模型(1913年)までを前期量子論と呼ぶ。

※ﾎﾞｰｱの量子条件や定常状態は、後に電子を波と考えることでﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ(1923年)により説明される。

ﾓｰｽﾞﾘｰの法則

原子番号と元素固有X線の関係

原子番号の科学的意味

(→原子核の電荷数=陽子数)

未発見の元素の予言

当時、加速した電子を原子に照射すると、元素に固有のｴﾈﾙｷﾞｰを持つ特性X線が放射されることは知られていた。ﾓｰｽﾞﾘｰは様々な金属元素の特性X線の波長を調べ、その逆数(振動数)の平方根が元素の原子番号に比例するﾓｰｽﾞﾘｰの法則を発見した。

従来、原子番号(Z)とは元素周期表の位置を表す背番号に過ぎなかったが(時代によって基準がﾌﾞﾚて順序の入れ替わりもあった)、ﾓｰｽﾞﾘｰは、原子番号が意味するものは原子の中心(原子核)にある正電荷(陽子の発見は1919年)の数だと解釈した。ﾓｰｽﾞﾘｰの法則は、周期表上の元素の抜け(未知の元素)の存在も予測でき、その元素の特性X線ｴﾈﾙｷﾞｰ(keV)も概ね予測できた。

化学的性質と原子量に基づいて配置された元素周期表の順序は、一部で原子量の逆転が起きる不規則性も見られていた(原因となる同位体の発見は1912年)。しかし、ﾓｰｽﾞﾘｰの法則により原子番号とは原子核の正電荷の数とする新たな定義が生まれ、元素周期表の同位体比率による逆転をただし、完全な形に導く科学的根拠を与えた。実際にその主張を検証するのはﾁｬﾄﾞｳｨｯｸである(1920年)。

ﾌﾚﾃﾞﾘｯｸ･ｿﾃﾞｨ

ｶｼﾞﾐｱ･ﾌｧﾔﾝｽ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾎﾟｰﾗﾝﾄﾞ

放射性崩壊の変位則

(ｿﾃﾞｨ=ﾌｧﾔﾝｽの法則)

ｿﾃﾞｨ、ﾌｧﾔﾝｽはそれぞれ独立に、放射性崩壊の変位則を発見。

国民科学研究所の必要性を提唱

高峰譲吉が築地精養軒にて、「国民科学研究所設立の必要性」について演説。渋沢栄一、桜井錠二ら官・財界人「国民科学研究所」構想を議論。

※1917年に渋沢栄一を設立者総代として理化学研究所が設立される。

桜島、噴火

第一次世界大戦、開始

※1914年~1918年

ｼﾞｪｰﾑｽ･ﾌﾗﾝｸ

ｸﾞｽﾀﾌ･ﾍﾙﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾌﾗﾝｸ=ﾍﾙﾂの実験

※電子と気体原子の衝突実験

ﾎﾞｰｱの原子模型の実証

原子のｴﾈﾙｷﾞｰ準位

放電管内で加速させた電子を管内に封入した気体原子に衝突させ、気体原子が吸収しやすいｴﾈﾙｷﾞｰを調べる実験(ﾌﾗﾝｸ=ﾍﾙﾂの実験)を実施。加速電圧を変化させて電子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰを変化させると、気体原子が特異的に吸収するｴﾈﾙｷﾞｰが存在することが電流値の増減として確認された。気体原子が吸収する(=気体原子に束縛される電子を弾き飛ばすのに使われる)ｴﾈﾙｷﾞｰは、入射電子の損失ｴﾈﾙｷﾞｰ量がちょうど原子の線ｽﾍﾟｸﾄﾙ(特性X線に相当)として現れる光子のｴﾈﾙｷﾞｰと一致した。

この実験により、ﾎﾞｰｱの原子模型が示すように、原子が束縛する電子軌道は不連続でること(量子条件)、電子は各軌道で光を放出せずに安定的に存在すること(定常状態)が実証された。

※ｸﾞｽﾀﾌ･ﾍﾙﾂは電磁波の発見者であるﾙﾄﾞﾙﾌ･ﾍﾙﾂの甥である。

重力ﾚﾝｽﾞ効果の観測計画

※戦争により失敗に終わる

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが1911年に重力による光の湾曲を指摘して以来、ﾍﾞﾙﾘﾝ天文台助手の若き天文学者ﾌﾛｲﾝﾄﾘｯﾋはｱｲﾝｼｭﾀｲﾝと光の湾曲(重力ﾚﾝｽﾞ効果)の測定について連絡を取り合っていた。日食を利用すれば観測できると分かり、観測隊をｸﾘﾐｱ半島に派遣して1914年8月21日に起きる皆既日食を観測する計画を立てた。

1914年7月19日、ﾌﾛｲﾝﾄﾘｯﾋは仲間2人(一人はｶｰﾙ･ﾂｧｲｽの技師)と共にﾍﾞﾙﾘﾝを発って、1週間後にはｸﾘﾐｱのﾌｪｵﾄﾞｼｱに到着し、望遠鏡と4台のｶﾒﾗの整備を開始した。しかし日食を3週間後に控えた1914年7月28日、ｵｰｽﾄﾘｱ=ﾊﾝｶﾞﾘｰ帝国がｾﾙﾋﾞｱに宣戦布告して、第1次世界大戦が勃発した。突如として敵(ｾﾙﾋﾞｱ･ﾛｼｱ陣営)の真っただ中に取り残されたﾌﾛｲﾝﾄﾘｯﾋは逮捕され戦争捕虜となり、観察計画は無散してしまった。

なおこの時のｸﾘﾐｱでの日食観察にはｱﾙｾﾞﾝﾁﾝの観測ﾁｰﾑも来ており、その観察目的は水星の近日点移動の異常の原因と見られる太陽に最も近い未知の惑星ｳﾞｧﾙｶﾝの発見であった。翌年1915年にｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが一般相対性理論を完成させた時、水星の近日点移動は惑星ｳﾞｧﾙｶﾝを持ち出す必要もなく重力場の影響として説明される。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾏﾙｾﾙ･ｸﾞﾛｽﾏﾝ

ﾄﾞｲﾂ

未完成の一般相対性理論

※一般共変性の断念

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは1905年に発表した特殊相対性理論を実証するべく、皆既日食を利用した太陽の重力場による光の曲進現象の観測の準備を行っていた。その一方で、相対性理論をより普遍的に宇宙のどこでも使えるように、慣性系に限定された特殊相対性理論を加速度系にも適用可能な一般相対性理論の構築を進めていた。

重力場により曲がった時空を扱うための数学的ﾂｰﾙとしてﾘｰﾏﾝ幾何学が有用だと説いたのは親友の数学者ｸﾞﾛｽﾏﾝであった。ﾘｰﾏﾝ幾何学において座標の各点の幾何学的特性を記述する計量ﾃﾝｿﾙgμν(4次元時空の場合、16個の変数で定義)が重力ﾎﾟﾃﾝｼｬﾙを規定する量として利用できることが分かった。以来、一般相対性原理(全ての座標系で物理法則が同じ形式として表される)を実現可能な重力場方程式の探索に没頭した。1914年11月、ｸﾞﾛｽﾏﾝとの共同研究で最終版と自負する論文を発表した。しかしこの論文は一般相対性原理(一般共変性の原理)を断念することで導かれたもので、宇宙のどこでも通用する一般共変性を備えた重力場方程式ではなかった。

※しかし翌年、一般相対性原理の実現という原点に立ち返えり論文を再検討したところ、より単純化された重力場方程式が導かれ、またその近似にはﾆｭｰﾄﾝ方程式も含まれていた。

1915

ﾄﾞｲﾂ

論文『一般相対性理論』

一般相対性理論

公理①：等価原理

測地線方程式

重力場方程式

1915年11月4日、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはﾍﾞﾙﾘﾝのﾌﾟﾛｲｾﾝ科学ｱｶﾃﾞﾐｰで論文『一般相対性理論について』と題した論文を読み上げた。ここで1914年に一般共変性を断念して得られた理論を誤りだったと認め、

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは1905年に特殊相対性理論を発表したが、こちらは慣性系という力が働かない特殊な場合にしか適用できない。しかし、現実世界ではあらゆる物体に重力が働く加速度系にも適用できる理論に拡張する必要があった。この理論の拡張に約10年要した。

慣性系(外力のない等速直線運動)を扱った特殊相対性理論に対し、加速度系(重力場などの外力が働く運動)まで拡張。等価原理とは重力場と加速度系が区別できないこと。ﾆｭｰﾄﾝの万有引力理論を全面的に刷新し、ﾆｭｰﾄﾝ力学と比べて運動の速度が速い場合(ﾐｸﾛ世界の光速度に近い粒子の運動)、重力が大きい場合の現象を正しく記述できる。重力場で光が曲がる、宇宙は膨張か収縮している、などの結論が得られる。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは一般相対性理論の発表後は、宇宙論や統一場理論(重力と電磁力の統合)に向けて、後半生を費やす。

【ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの指摘した一般相対性理論の正しさを証明する実例】

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは水星の近日点移動と太陽近傍を通過する光の曲進の2点について、すぐに一般相対性理論の正しさを立証する実例として言及した。ここでは後者について述べる。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは重力による光の曲進現象を1911年の論文『光の伝播に対する重力の影響』で既に報告しており、その時の計算値は約0.83秒だった。一般相対性理論が完成した後に再計算すると曲進の度合いは約2倍の1.75秒となることを指摘した。ﾆｭｰﾄﾝ力学では、光がそのｴﾈﾙｷﾞｰに相当する質量を持つと仮定して計算される湾曲は約0.87秒と計算されるため、実際に観測することで、いずれの理論が正しいか判定することができるとした。実際に1919年にｴﾃﾞｨﾝﾄﾝにより皆既日食の折に観測され、一般相対性理論の正しさが立証される。

1915

ﾄﾞｲﾂ

水星の近日点移動の理論説明

※一般相対性理論の実証

未知の惑星ｳﾞｧﾙｶﾝ説の否定

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは一般相対性理論の正しさを説明する最初の実例として、水星の近日点移動を取り上げた。近日点(惑星の公転軌道の太陽に一番近い点)は長い年限をかけて少しずつ位置を変えるが、水星においてはﾆｭｰﾄﾝ力学の計算値されるよりも100年間当たり43秒ほど大きい変化が観測されており、長年問題となっていた。従来、水星のさらに内側に未知の惑星ｳﾞｧﾙｶﾝがあり、その惑星の重力場の影響だと考える天文学者もいた。同様の推論で海王星が発見されたこともあり、実際に惑星ｳﾞｧﾙｶﾝ探索のため皆既日食を利用した観測隊も派遣されていた。

1915年11月18日、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは水星の近日点移動についての成果を発表した。一般相対性理論においては惑星の作用がなくても近日点が移動し、実際の観測値と見事に一致する結果が得られた。

1915 

ﾄﾞｲﾂ

論文『重力場の方程式』

一般相対性理論

重力場方程式(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ方程式)

Rμν－1/2gμνR=(8πG/c^4)Tμν

1915年11月25日、『重力場の方程式』と題した論文をｱｶﾃﾞﾐｰの物理数学科会で読み上げた。難産だった一般相対性理論がついに完成した。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが辿り着いた重力場方程式は、あらゆる座標系においても物理法則･理論が形を変えないという一般相対性原理(一般共変性、一般座標変換に対する不変性)を保証しつつ、時空の本質を簡潔に記述している。

Rμν－1/2gμνR=(8πG/c^4)Tμν

重力場方程式は、3つのﾃﾝｿﾙの項からなり物質のｴﾈﾙｷﾞｰ･運動量ﾃﾝｿﾙTμνによって、重力場を表す計量ﾃﾝｿﾙgμνが決まることを示す。Rμνは時空の形状を表すﾘｯﾁ･ﾃﾝｿﾙ、Rはｽｶﾗｰ曲率、Gはﾆｭｰﾄﾝの重力定数である。

1915

ﾄﾞｲﾂ

水素ｽﾍﾟｸﾄﾙの微細構造理論

大陸と海洋の起源

ｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ解

ｼｭﾊﾞﾙﾂｼﾙﾄ･ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ

※静止した球対称ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ

※ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの最初の示唆

一般相対性理論の重力場方程式(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ/1915年)は非常に一般化された時空方程式で、数学的には無数の解を持つ。解の大部分は簡単な数式で表現できないが、球対称や軸対称などの単純な仮定を置くことでいくつかの解が得られる。

ｼｭﾊﾞﾙﾂｼﾙﾄは、空間に大質量の天体が存在させた場合にその空間自体が重力で歪み、一旦飲み込まれると光でも脱出できない領域(ｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ半径)を表す解(ｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ解)を発見した。ｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ半径はﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの表面であり、この境界を特に「事象の地平面(event horizon)」と呼ぶ。事象の地平面という境界によって空間の性質が急激に変わるわけではない(それは滝に例えられる)。

ｼｭﾊﾞﾙﾂｼﾙﾄがその存在を最初に示唆したﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙは、その中では最も単純な静的球対称のﾀｲﾌﾟ(ｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ･ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ)である。なお当時のﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの予言は、机上の空論に留まり、具体的な発生ﾒｶﾆｽﾞﾑにまで言及したものではない。

【太陽のｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ半径は】

太陽の質量(約2×10^30kg)に相当するｼｭｳﾞｧﾙﾂｼﾙﾄ半径(r=2Gm/c^2)は約3kmほどであるが、太陽の半径は約70万kmと大きくﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ化するには密度が薄い。参考。

仮に太陽が同じ質量でﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ化した場合、約500秒後に地球に届く光は止むが、重力作用については変わらない。

【ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの名前について】

現在、定着しているﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙという名前は、ｼﾞｮﾝ･ﾎｲｰﾗｰが1967年12月に行った講義で初めて用いられたとされる。それ以前は重力崩壊星とか、凍結星とか呼ばれた。

【ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの実在性について】

ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの理論的発生ﾌﾟﾛｾｽは、1939年にｵｯﾍﾟﾝﾊｲﾏｰとｼｭﾅｲﾀﾞｰが一般相対性理論に基づいて説明(星の死に伴う重力崩壊による無限縮小)した。現実の宇宙にﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの存在が示唆されたのは、1971年に発見された"はくちょう座X-1(Cyg X-1)"からである。

論文『重力場方程式の積分の近似法』

光速度で伝播する重力波の存在を指摘

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは論文にて電磁気学とのｱﾅﾛｼﾞｰから、重力波の存在を指摘した。重力場がｴﾈﾙｷﾞｰと運動量を運ぶ波動となり、電磁波と同様に真空中を光速度で伝播するという結論が提示された。

光電効果の精密実験

ﾌﾟﾗﾝｸ定数の算出

ﾋﾟｰﾀｰ･ﾃﾞﾊﾞｲ

ﾊﾟｳﾙ･ｼｪﾗｰ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｽｲｽ

粉末結晶によるX線分析法

(ﾃﾞﾊﾞｲ=ｼｪﾗｰ法)

ﾜﾙﾀｰ･ｺｯｾﾙ

ｺｯｾﾙの化学結合理論

※量子論的なｲｵﾝ結合の説明

円環の電子配置ﾓﾃﾞﾙ

ｵｸﾃｯﾄﾞ説(8偶子説)

ﾙｲｽの化学結合理論

※量子論的なｲｵﾝ結合及び共有結合の説明

立方体の電子配置ﾓﾃﾞﾙ

ﾙｲｽ構造式(電子式)

ｵｸﾃｯﾄﾞ説(8偶子説)

ﾙｲｽは、入れ籠状の立方体の原子ﾓﾃﾞﾙ(電子配置ﾓﾃﾞﾙ)を用いて、ｲｵﾝ結合や共有結合を説明した。原子核を覆う各立方体の頂点8個に電子が配置されるが、原子核に最も近い電子配置は2個である。周期表の第二周期の原子ではLiからFへと進むにつれ、立方体の頂点を順に電子が占めていき、Neは8個の電子で立方体が満たされ安定で不活性な原子となる(ｵｸﾃｯﾄﾞ説)と説明。化学結合では、立方体が電子で満たされない頂点を2つの原子が共有することで生じると説明された。単結合は立方体の辺(電子2個)の共有、二重結合は立方体の面(電子4個)の共有で説明できるが、窒素分子のような三重結合は取り扱えなかった。食塩のようなｲｵﾝ性の塩に対しては、NaとClが電子の過不足を補い合い互いに希ｶﾞｽの電子配置で電荷を帯びて、ｲｵﾝ結合が生じる。

ﾙｲｽは化学結合に関与する最外殻電子を・で表す方法(ﾙｲｽ構造式/電子式)を考案し、例えば水素分子ならH：Hと表した。ﾙｲｽの立方体の電子配置ﾓﾃﾞﾙは短命であったが、この結合の表示方式は今でも化学の教科書に使われており、共有結合の本質が2つの原子が1対の電子を共有することにあることを明確にした。

【ﾙｲｽとﾗﾝｸﾞﾐｭｱの確執】

ﾙｲｽが軍務について一時研究から離れた頃、ﾗﾝｸﾞﾐｭｱはﾙｲｽの化学結合論を改良・拡張し、講演などを通じて欧米中心に広めた。化学結合(covalent bond)という用語もﾗﾝｸﾞﾐｭｱが導入した。こうした背景もあり、共有結合の理論をﾙｲｽ=ﾗﾝｸﾞﾐｭｱの理論とも呼ばれるが、最初の提唱者のﾙｲｽとしては、並列して扱われることは受け入れ難いことだった。

ﾜﾙﾀｰ･ｺｯｾﾙ

X線吸収ｽﾍﾟｸﾄﾙの吸収端理論

ｱﾙﾉﾙﾄ･J.ｿﾞﾝﾏｰﾌｪﾙﾄ

微細構造定数

ﾗｲｽﾅｰ=ﾉﾙﾄﾞｼｭﾄﾙﾑ解

※帯電静止した球対称ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

論文『一般相対性理論についての宇宙論的考察』

重力場方程式による宇宙像

宇宙項

一般相対性理論の重力場方程式を宇宙全体に適用し、数学的な解として宇宙は膨張もしくは収縮するという動的な振る舞いとなることを示した。宇宙は静的で安定して存在すると予想していたｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの意に反する結果に対して、物理的根拠が不明のまま、恣意的に宇宙を収縮させる重力の効果を打ち消せる"宇宙項"(未知の普遍定数をﾃﾝｿﾙに乗じた項)を重力場方程式に組み込んだ。後にﾊｯﾌﾞﾙが宇宙の膨張を発見(1929年)したことを受けて、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはこの宇宙項を放棄する。

渦巻き銀河の回転運動を観測

理化学研究所、創立

産業の振興を図るため、物理学と化学の基礎研究と応用研究を遂行する目的で東京都文京区駒込の地に設立された半官半民の研究機関。第36回帝国議会(1915年)にて理化学研究所設立を決定。※理化学研究所の沿革はこちら。

ﾐｸﾛ世界特有の不連続な世界を記述する量子論において、極端に大きな量子数を扱う(古典物理でも記述できるﾏｸﾛ世界の)場合には、量子論特有の不連続性が無視できるほど小さくなり、古典物理学の法則に近似される。つまり、量子論はある極限では古典物理学に対応するだろう…とする、ﾎﾞｰｱが量子論を発展させる上で提案した指導原理(対応原理と呼ぶ)を指す。

具体例としては、ﾎﾞｰｱの原子模型の電子のｴﾈﾙｷﾞｰ準位は、ﾘｭｰﾄﾞﾍﾞﾘの式に見られるように整数の平方に反比例(1/n^2に比例)する。nが小さい場合は差が大きく不連続性が顕著に表れるが、nが大きくなると差が小さくなり実質的に連続だと見ることができる。

銀河系における太陽の位置

球状星団の分布を観測し、銀河系の直径は約30万光年、太陽の位置は銀河系の中心から約5万光年外れた場所にあると推定。

α粒子による原子核破壊

※核変換による錬金術の可能性

陽子 (原子の構成要素)

※命名は1920年

ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞはﾗｼﾞｳﾑ(Ra)をα線源に用いて、高速のα粒子を軽元素(N,B,F,Na,Al,Pなど)に衝突させる"原子核の破壊実験"を実施した。いずれからも水素原子核が叩き出されたことを受けて、翌年(1920年)には原子核に共通する構成要素である水素原子核を"陽子"と呼ぶことを提唱する。

衝突実験により、原子核変換(NはOへ)されることを発見。水素原子核の同定方法は、飛程や比電荷(磁場による屈曲実験)による。

【標的元素の違いと目的】

1909年のｶﾞｲｶﾞｰ=ﾏｰｽﾃﾞﾝの実験(α線の散乱実験)では、重元素である金(Au)を標的元素としたが、これは正電荷の大きい重元素の方が原子核の破壊よりも散乱(反発)しやすいからである。一方、1919年のα線を用いた原子核破壊実験で軽元素を標的元素とするのは、正電荷の弱い軽元素の方がα線が原子核に接近でき、破壊させやすいためである。

※電荷を持つα線を使う限り、重元素のような正電荷の大きい原子核には接近できず、基本的には核変換による原子番号の増減はせいぜい±2程度。重元素の原子核を割るには中性子が必要。

質量分析器

同位体研究

J.J.ﾄﾑｿﾝが安定同位体の発見に至った質量分析器(1912年)を改良。特に荷電粒子の入射速度のﾊﾞﾗつきによって質量ｽﾍﾟｸﾄﾙが乱れる影響を抑制し、原子量の高精度な測定を可能にした。同位体の存在により原子量が整数にならない理由を示し、周期表(原子番号順)の原子量が一部で逆転する現象を解明した。

1919 

ﾙｲｽ=ﾗﾝｸﾞﾐｭｱの原子価理論

共有結合(covalent bond)

表面化学の先駆者として業績を上げていたﾗﾝｸﾞﾐｭｱは1919年に化学結合論を研究対象とし、先行するﾙｲｽの説を改良・拡張し、世に広めた。共有結合(covalent bond)という用語も導入した。ﾗﾝｸﾞﾐｭｱはﾙｲｽの先取権を尊重したが、ﾙｲｽの理論はﾙｲｽ=ﾗﾝｸﾞﾐｭｱの理論と呼ばれるようになった。

【共有結合理論の発展】

その後1927年にｼｼﾞｳｨｯｸにより共有結合の一種である配位結合の理論に拡張される。配位結合は、錯体化学などで一方の原子が結合に必要な電子対を出す場合を指す。

強磁性体のﾊﾞﾙｸﾊｳｾﾞﾝ効果

重力ﾚﾝｽﾞ効果

(重力場による光の屈曲現象)

※一般相対性理論の実証

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが一般相対性理論(1915年)の論文を発表しても第1次世界大戦の影響ですぐには他国の科学者には伝わらなかった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは中立国ｽｲｽを経由してｲｷﾞﾘｽに論文を送ろうと試みたがうまくいかなかった。しかしｵﾗﾝﾀﾞの天文学者ｳｨﾚﾑ･ﾄﾞ･ｼﾞｯﾀｰがｹﾝﾌﾞﾘｯｼﾞ天文台台長ｱｰｻｰ･ｴﾃﾞｨﾝﾄﾝに送った郵便はﾄﾞｰﾊﾞｰ海峡を渡り無事にﾛﾝﾄﾞﾝに到着した。優れた理論家でもあったｴﾃﾞｨﾝﾄﾝは一般相対性理論を正しく理解し、熱烈な相対論支持者となった。ここからｱｲﾝｼｭﾀｲﾝに知られることなくｲｷﾞﾘｽ主導で重力による光の曲進現象の観測計画が始まる。1918年11月11日、第1次世界大戦が終わり、王立天文台台長ｻｰ･ﾌﾗﾝｸ･ﾀﾞｲｿﾝとｴﾃﾞｨﾝﾄﾝは翌年5月の日食観察に向けて計画を立てた。最大のﾘｽｸは、天候に恵まれず観測できないことであり、同時に2ヵ所に遠征隊を送る結論となった。ｴﾃﾞｨﾝﾄﾝはｱﾌﾘｶ西海岸沖のﾌﾟﾘｼﾝﾍﾟ島へ向かうｱﾌﾘｶ遠征隊の隊長を務めることになった。もう一方のﾌﾞﾗｼﾞﾙ東岸ｿﾌﾞﾗﾙへはｸﾞﾘﾆｯｼﾞ天文台の研究者ﾁｰﾑが担当した。

1919年5月29日、ｴﾃﾞｨﾝﾄﾝは予言される重力場における光の屈曲現象(重力ﾚﾝｽﾞ効果)を皆既日食(ｸﾞﾘﾆｯｼﾞ標準時で午後2時13分から約5分間(302秒間))を利用して観測した。太陽の背後にあろう雄牛座(ﾋｱﾃﾞｽ散開星団を含む多くの恒星)の光は太陽をかすめて地球に達したことが確認され、ｶﾒﾗに収められた。急ごしらえの実験室ですぐに現像し、既に撮影していた(太陽の重力場のない)夜間の星空の写真と突き合せたところ、いずれの星も太陽の中心位置から遠ざかるようにｽﾞﾚていた。帰国後、詳細な写真の解析がなされ、位置ｽﾞﾚの平均は1.61秒(σ=0.3秒)となり、一般相対性理論の予測値1.75秒と一致した。一方でｿﾌﾞﾗﾙに遠征したﾁｰﾑも撮影に成功しており、位置ｽﾞﾚの平均は1.98秒(σ=0.12秒)と高い精度であった。2つのﾁｰﾑによる日食観察により一般相対性理論は、水星の近日点移動の説明(1915年)に続いて、完全に実証された。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは1919年9月になってようやくｵﾗﾝﾀﾞの友人経由でこの実験を知った。

※なお現在では太陽のような恒星が存在しない場所でも重力ﾚﾝｽﾞ効果は見られ、目に見えない重力源(ﾀﾞｰｸﾏﾀｰなど)が大量に存在していることが確認されている。

原子番号と原子核内の陽子数の一致を証明

原子番号の定義を決定付ける

特性X線の研究したﾓｰｽﾞﾘｰ(1913年)は、原子番号とは原子核が持つ正電荷の数(陽子の数)だと主張し、元素周期表の厳密な順序関係を示唆した。ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸはｶﾞｲｶﾞｰとﾏｰｽﾃﾞﾝの実験(α線による散乱実験/1909年)を改良した実験で、原子核の電荷と原子番号の一致を証明し、原子番号の定義を決定づけた。

水素原子核を陽子と命名

ｲｷﾞﾘｽ科学振興協会の総会で、原子核破壊実験であらゆる元素で共通して見られた水素原子核について、原子核の構成要素として"陽子"と名付けることを提唱。

中性子の存在に言及

ﾛﾝﾄﾞﾝ王立協会での講演で、次のように述べた。陽子の発見と同時に原子核のもう一つの構成要素である中性子の存在に言及していた。

「ある条件下では、水素原子核(=陽子)とその周囲を回る電子とがもっと強く結合しているかもしれない。その結果、両者が結合した中性の粒子が、物質中を自由に動き回れるだろう。(中略)この粒子は原子内部にまで容易に入り込み、核と結合するか、あるいは核の強い電場により破壊され、そこから水素原子核か電子、あるいはその両方が放出されるかもしれない」

※1932年に、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの門下生ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸが中性子を発見する。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ｱﾚｷｻﾝﾀﾞｰ･ﾓｽｺﾌｽｷｰ

E=mc^2の利用可能性

1919年-1920年にかけて作家ﾓｽｺﾌｽｷｰはｱｲﾝｼｭﾀｲﾝにｲﾝﾀﾋﾞｭｰを行った(書物『ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝとの対話』に記載)。その中で、E=mc^2で得られるｴﾈﾙｷﾞｰの利用可能性についてｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが言及している。

「現在のところ、このｴﾈﾙｷﾞｰが得られるかをどうかを示す事実は全然ない。というのは原子の崩壊、いわば原子の分割を意のままに引き起こすことを前提としているからだ。今までのところ、それが可能になると伺わせる証拠は殆どない。原子の崩壊はﾗｼﾞｳﾑのように自然が自らそれを起こすときのみ観測される。」

ｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果

光量子仮説を決定付ける

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの光量子仮説は光を粒子(但し、そのｴﾈﾙｷﾞｰは振動数で表される)として扱うことで光電効果をうまく説明した。ｺﾝﾌﾟﾄﾝはさらにｴﾈﾙｷﾞｰの高い(振動数の多い)光を用いて実験することでｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果を発見し、光量子仮説を決定的なものとした。ｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果では、光子と電子の衝突前後で、一部の光子はﾋﾞﾘﾔｰﾄﾞの玉のように角度を持って散乱する。その際に光子の散乱角度とそのｴﾈﾙｷﾞｰ(または振動数)の変化に関係が見られ、光子の運動量(p=hν/c、p=h/λ)を考えることで説明できた。

※通常、光の波動性を示すﾄﾑｿﾝ散乱(全方位に散乱)も一定の確率で同時に起きる。

ｵｯﾄｰ･ｼｭﾃﾙﾝ

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ｹﾞﾙﾗｯﾊ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ｼｭﾃﾙﾝ=ｹﾞﾙﾗｯﾊの実験

原子の磁気能率(磁気ﾓｰﾒﾝﾄ)

膨張宇宙ﾓﾃﾞﾙ(ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ宇宙)

ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ方程式

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝが静止な宇宙が得られるよう自身の重力場方程式に宇宙項を導入(1917年)してから5年後、ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝは宇宙にある物質は一様等方分布という仮定のもと、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの宇宙項を考慮せずに一般相対性理論に基づく厳密解の一つ(ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ方程式)として膨張宇宙ﾓﾃﾞﾙを導出した。ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ宇宙とも呼ばれ、これにより静的宇宙ではなく動的な宇宙、膨張している宇宙を考える理論的基盤ができあがった。

1923年9月1日、関東大震災が発生。ﾏｸﾞﾆﾁｭｰﾄﾞは8であり、地震の10^17(ｼﾞｭｰﾙ)前後のｵｰﾀﾞｰのｴﾈﾙｷﾞｰである。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの特殊相対性理論から導かれるE=mc^2から質量に換算すると約1kgである。

物質波(ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ波)の概念

電子の波長を算出

ﾎﾞｰｱの量子条件の説明

※量子力学の基礎を築く

ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲはｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの光量子仮説の成功から光の二面性(粒子性と波動性)に着目し、逆に今まで粒子と見なしてきた電子を波として考えみた。光量子仮説における光量子の運動量の式(p=h/λ)を、電子に適用して、電子の波長λ(=h/p=h/mv)を逆算した。さらに電子に限らず、全ての物質の運動量はこの式から波長に変換できる波であると考える物質波(ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ波)の概念を提唱した。

また電子を波と考えることで、ﾎﾞｰｱの量子条件の導出に成功し、その理論的根拠を与えた。原子核の周囲に電子の定在波を作る条件(2πr=nλ)と、電子の運動量と波長の式(λ=h/mv)を用いて、ﾎﾞｰｱの量子条件(2πr×mv=nh)は自然に導かれた。

書物『原子価と原子構造』

ﾌﾞﾚﾝｽﾃｯﾄﾞ

ﾛｰﾘｰ

ｱﾝﾄﾞﾛﾒﾀﾞ銀河は系外銀河であることの発表

ｻﾃｨｴﾝﾄﾞﾗ･ﾅｰﾄ･ﾎﾞｰｽ

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ｲﾝﾄﾞ

ﾄﾞｲﾂ

論文『ﾌﾟﾗﾝｸの放射法則と光量子仮説』

ﾎﾞｰｽ=ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ統計

(ﾎﾞｰｽ分布関数)

ﾎﾞｰｽ粒子(ﾎﾞｿﾝ)

ｲﾝﾄﾞのﾀﾞｯｶにいたﾎﾞｰｽ(30歳)という若者は、ｲｷﾞﾘｽの"ﾌｨﾛｿﾌｨｶﾙ･ﾏｶﾞｼﾞﾝ"に論文を投稿したが、掲載を拒否されてしまった。そこでｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの名声を頼り、雑誌に掲載されるよう尽力願えないかとを訴えた。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはﾎﾞｰｽの論文を高く評価し、ﾄﾞｲﾂ語に翻訳され、ﾄﾞｲﾂの一流雑誌"ﾂｧｲﾄｼｭﾘﾌﾄ･ﾌｭｱ･ﾌｨｼﾞｰｸ"に発表された。

ﾎﾞｰｽは光を光子という粒子からなる気体と見なし、量子論に基づく新しい統計手法(ﾎﾞｰｽ=ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ統計)を導入すれば、熱力学に頼らずとも、ﾌﾟﾗﾝｸの放射法則が同様に導き出されることを証明した。

ﾌｪﾙﾐ粒子(1926年)とは異なりﾊﾟｳﾘの排他律の縛りを受けないﾎﾞｰｽ粒子では、全く同じ状態に重なり合って存在することが可能となる。

【ﾎﾞｰｽ粒子(ﾎﾞｿﾝ)とﾌｪﾙﾐ粒子(ﾌｪﾙﾐｵﾝ)の判定基準】

両者の統計学的なふるまいの違いは、後にｽﾋﾟﾝと呼ばれる素粒子の物理量に関係することが明らかにされる。全ての素粒子はそのｽﾋﾟﾝによって、いずれかのｸﾞﾙｰﾌﾟに分けられる。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾄﾞｲﾂ

論文『一原子理想気体の量子論』

ﾎﾞｰｽ=ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ凝縮

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは、ﾎﾞｰｽの理論を光子の代わりに気体の原子に適用してみた。その結果、同じ種類のﾎﾞｰｽﾞ粒子を極低温まで冷やすと最低ｴﾈﾙｷﾞｰ状態で重なり合う相転移現象(ﾎﾞｰｽ=ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ凝縮と呼ぶ)の出現が理論的に予言された。

従来、気体粒子の速度(ｴﾈﾙｷﾞｰ)分布はﾏｸｽｳｪﾙが気体分子運動論(1860年)から求めた式(釣り鐘型の正規分布)で表され、そのﾋﾟｰｸに当たる粒子の平均ｴﾈﾙｷﾞｰが気体の温度に対応した。

【ﾎﾞｰｽ=ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ凝縮のための冷却技術】

He原子やNa原子といった代表的なﾎﾞｰｽ粒子でﾎﾞｰｽ・ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ凝縮を起こすには、絶対零度に限りなく近いﾏｲｸﾛｹﾙﾋﾞﾝ~ﾅﾉｹﾙﾋﾞﾝまで冷やす必要があるが、従来の冷却法では実現できない。

1924

水銀還金実験

長岡は、金(原子番号79)と水銀(原子番号80)から放出されるｽﾍﾟｸﾄﾙ(特性X線)がよく似ていることに注目した。原子番号と原子核の電荷は一致することは既に知られており、ｽﾍﾟｸﾄﾙの類似は、水銀の原子核に金の原子核に陽子が一個余分に弱く結合しているためだと推測した。この考えをもとに、長岡は強い電場を水銀に掛けて、陽子1個を引き剥がす実験を試みた。その結果、1924年に水銀の還金に成功したと発表した。

当時、資源の少ない日本に多大な恩恵をもたらす錬金術だとｾﾝｾｰｼｮﾅﾙに報じられたが、その後研究は続けられたが成果はなかった。要するに、水銀から金が得られたというのは分析が不十分なまま誤りを発表してしまったというわけだが、長岡は誤りと認めたわけではなく、周囲の人も日本の科学界の重鎮に対して批判することはなかったそうだ。

【成功のためには中性子線が必要】

水銀を金に変えるｴﾈﾙｷﾞｰ源として、電場では十分ではなく、仮にﾗｼﾞｳﾑなどのα線源ならどうだったか…それでも正電荷の強い水銀の原子核を破壊することは困難だろう。重元素にも十分に接近可能な中性子線を得るには1930年のﾍﾞﾘﾘｳﾑ線の発見を待つ必要があり、なかなかこの時期に長岡が意図した水銀還金実験(水銀を金に変換)を成功させるのは難しいだろう。

ｺｲﾝｼﾃﾞﾝｽ法 (同時計数法)

ｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果の検証

複数のｶﾞｲｶﾞｰｶｳﾝﾀｰを用い、同時計数回路を工夫したｺｲﾝｼﾃﾞﾝｽ法によりｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果の検証を行った。その結果、入射X線光子が電子に衝突する反応前後でｴﾈﾙｷﾞｰと運動量が両方同時に保存されるように、衝突後のX線光子や電子の散乱(反跳)方向が決まることを観測した。質量を持たない光が運動量(p=h/λ)を持つことを裏付ける結果である。

電離層

行列力学

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰの波動力学(1926年)に先立ち、ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞは別の形式で量子力学を作ることに成功した。計算方法に行列を使うので行列力学と呼ばれる。行列力学は波動力学よりも計算が複雑なため、具体的な事例の計算を行う際には波動力学を用いることが多い。一方、量子力学の一般論を取り扱う場合に行列力学が適するとされる。

※行列力学と波動力学は数学的手法が異なるものの、実は内容的には同じ理論であることが後にﾃﾞｨﾗｯｸにより示される。

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｳｰﾚﾝﾍﾞｯｸ

ｻﾐｭｴﾙ･ﾊｳﾄｽﾐｯﾄ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｵﾗﾝﾀﾞ

電子のｽﾋﾟﾝ

※ｱﾙｶﾘ金属元素の2重線の説明

価電子を1個だけ持つｱﾙｶﾘ金属元素の線ｽﾍﾟｸﾄﾙには2重線(NaのD線など)が見られ、その微小な波長のｽﾞﾚは何らかの性質が僅かに異なる電子の存在を示唆した。この電子の未知の量子自由度は、電子が原子核の周りを公転するのに加え、電子自身の自転(ｽﾋﾟﾝ)による2つの運動(右回りと左回り)を原因とすると考えた。なお電子の自転を仮定する上で、電子を質点ではなく、空間的な広がりを持つ物体として捉えた。

※電子のｽﾋﾟﾝによる磁気能率(磁気ﾓｰﾒﾝﾄ)は、内殻電子が偶数個で占められる場合は相殺されるため、実質的な効果が現れるのは最外殻の不対電子の有無による。これは原子番号の多寡に拠らない。

※電子固有の性質として、質量、電荷、ｽﾋﾟﾝの三つが揃った。

※磁場を掛けると線ｽﾍﾟｸﾄﾙが細かく分裂するというｾﾞｰﾏﾝの発見(1896年/ｾﾞｰﾏﾝ効果)は、電荷を持つ電子の自転(ｽﾋﾟﾝ)は磁石の働きがあるためである。なお磁場を掛けるとNaのD線は一方が4本、他方は6本に分かれる。

ｳﾞｫﾙﾌｶﾞﾝｸﾞ･ﾊﾟｳﾘ

ﾄﾞｲﾂ

ﾊﾟｳﾘの排他原理

(電子の禁止則)

電子の量子自由度

どんな電子も同じ状態には一つしか入らないとするﾊﾟｳﾘの排他原理(電子の禁止則)を発表。電子の状態は4つの量(ｴﾈﾙｷﾞｰ,存在確率の分布,電子ｽﾋﾟﾝ)で区別される。

ｾﾞｰﾏﾝ効果(1896年)の解釈として、強い磁場作用下では原子の中の電子は2つの異なるｴﾈﾙｷﾞｰ状態(量子自由度)を持つ(分裂する)ことを指摘した。

W.K.ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ

ﾄﾞｲﾂ

行列力学

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾄﾞｲﾂ

論文『重力と電気力の統一場理論』

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは相対性理論を用いて、当時知られていた自然界の2つの力(電磁気力と重力)の統一に取り組んだ。電気と重力の統一理論は、かつてﾌｧﾗﾃﾞｰが晩年(1850年代)に試みたが、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝはﾌｧﾗﾃﾞｰと共通する観点に立って挑んだと言える。

※1930年代に入り素粒子研究が進むと、新たに弱い相互作用(素粒子を崩壊させる力)と強い相互作用(素粒子を結合させる力)が基本的な力として加わる。

宇宙線による窒素の核変換

八木秀次

宇田新太郎

日本

日本