年表_物理学/化学_20-Q2

真空中の光速度の精密測定

(秒速299796±4km)

ﾏｲｹﾙｿﾝは、ﾚｵﾝ･ﾌｰｺｰの回転鏡による光速度測定法(1850年)を洗練し、真空中の光速度の精密測定を実施。歴代最高の記録を樹立した。ﾏｲｹﾙｿﾝは35km先の反射鏡(ｶﾘﾌｫﾙﾆｱのｻﾝｱﾝﾄﾆｵ山に設置)へ光を送り、その反射光を回転する多面鏡(ｶﾘﾌｫﾙﾆｱのｳｨﾙｿﾝ山に設置)に通した。多面鏡は8面,12面,16面などが使用され、回転速度は電気ﾓｰﾀｰで自由に調整された。結果の精度は実験系の測定距離に依存するため、ｱﾒﾘｶ合衆国の地形測量部は、この実験のために特別にその距離を測定している。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式(波動力学)

3つの量子数

※ｽﾋﾟﾝの概念はないため、微細構造まで記述できない

物質波(ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ/1923年)の形と伝わる様子を記述するｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式を発表。式中に粒子の質量を含み、物質の二面性(粒子かつ波動)を表す。水素原子中の電子のｴﾈﾙｷﾞｰ状態が不連続となるﾎﾞｰｱの量子条件(2πr×mv=nh)となることを示した。この論文は、ﾌﾟﾗﾝｸやｱｲﾝｼｭﾀｲﾝから直ちに絶賛された。

水素原子中の電子のｴﾈﾙｷﾞｰに対しては、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式で完全に解ける。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式の記号ψ(ﾌﾟｻｲ)は物質波(電子1個)を表す波動関数であり、古典物理(音波や電磁波)の波動方程式が実数で表されるのに対して、複素数(a+bi)の波である。電子の性質をうまく説明できる一方で、式中の波動関数ψ(複素数の波)が一体何を意味するのかについては曖昧であった。

【非相対論的波動方程式から相対論的波動方程式へ】

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式には特殊相対性理論の効果を考慮しておらず、光速に近い状態を取り扱う場合、特殊相対性理論の要請を満たす形式に書き直す必要がある。ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ、ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ、ｸﾗｲﾝ、ｺﾞﾙﾄﾞﾝなど多くの理論家がこの難問に取り組んだが、最初にその導出に成功したのは、ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸであった(相対論的波動方程式/1928年)。

波動関数の確率解釈

→❘ψ❘^2は電子の発見確率

※本質的な非決定論の導入

波動関数ψ(電子1個の波動を表す)の絶対値を二乗した❘ψ❘^2は、電子がその位置で(波ではなく)粒子として検出される確率に比例する説(波動関数の確率解釈)をﾎﾞﾙﾝは唱えた。波動関数ψ自体の物理的な描像には言及せず、❘ψ❘^2を求めると実験結果通り、電子の統計的な位置が特定できる実用性を重視した考え方だった。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰの波動力学がﾌﾟﾗﾝｸやｱｲﾝｼｭﾀｲﾝから絶賛された一方、ﾎﾞﾙﾝの確率解釈に対してはﾌﾟﾗﾝｸ、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ、ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰなど錚々たるﾒﾝﾊﾞｰが、決定論ではなく確率論(非決定論)を物理学に持ち込むことに異議を唱えた。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは「神はｻｲｺﾛ遊びを好まない」という有名な言葉で確率解釈を批判している。ここでの神とはｽﾋﾟﾉｻﾞの神であり、あらゆる自然現象を貫き決定する究極的な原理･真理という意味。

※波動関数ψは複素数(a+bi)で表される波であり、その絶対値は(a^2+b^2)^(1/2)。

ﾌｪﾙﾐ=ﾃﾞｨﾗｯｸ統計(ﾌｪﾙﾐ分布関数)

ﾌｪﾙﾐ粒子(ﾌｪﾙﾐｵﾝ)

ﾍﾘｳﾑの固体化

不確定性原理

Δx･Δp≌h

※相補的変数:積がkg･m^2･s-1

→位置と運動量

→時間とｴﾈﾙｷﾞｰ

→質量とm^2/s

→姿勢と角運動量

ﾐｸﾛ世界の運動を表す波動力学(ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式など)によれば、相補的変数とされる一対の物理量(位置と運動量、時間とｴﾈﾙｷﾞｰ)を同時に知る測定精度には、Δx･Δp≌hで示される限界があることを示唆した(不確定性原理と呼ぶ)。※≌はほぼ同じという意味。h(ﾌﾟﾗﾝｸ定数)は6.6×10^-34J･s

相補的変数のﾍﾟｱの積は、ﾌﾟﾗﾝｸ定数hと同じかそれ以上になること、逆に言えば、hより小さくしたり、ましてはｾﾞﾛにはできないことを意味する。

相補的変数となるのは、物理量の積がkg･m^2･s-1(角運動量の単位だが…)となるもので、位置(m)と運動量(kg･m･s-1)や、時間(s)とｴﾈﾙｷﾞｰ(kg･m^2･s-2)が挙げられる。

【位置と運動量の不確定性】

大きさがない点と見なされる電子の位置xを厳密に特定するには、相応の波長を持つｶﾞﾝﾏ線を照射しなければならない。光は波長に対応した分解能を持つからだ。しかし波長を短くすれば光の運動量は大きくなり、波動性よりも粒子性が顕著に表れ出す。ｶﾞﾝﾏ線を照射された電子はその位置情報は正確に測れる(Δx→0)が、照射されるｶﾞﾝﾏ線の運動量が大きいため、もともと電子が持っていた運動量の情報がﾎﾞｹてしまう(Δp→∞)。逆に運動量の低いX線を使うと電子の運動量はより厳密に測定できる(Δp→0)が、波長が長く分解能が低いため、電子の位置情報がﾎﾞﾔけてしまう(Δx→∞)。位置と運動量の両者の積の統計的な誤差は、ﾌﾟﾗﾝｸ定数hほどにはどうしても生じてしまう。但し、相補的変数に該当しない物理量ﾍﾟｱに関しては、不確定性原理の適用外なので同時に正確に求められる。

測定に際して、相補的変数である位置と運動量は同時にある値として得られる。しかし測定を何度も繰り返してﾃﾞｰﾀを蓄積すると、統計的なﾌﾞﾚとして不確定性原理が現われる。いずれか一方の測定誤差を犠牲にすれば、他方はいくらでも正確に再現性ある値として得ることが可能。

【時間とｴﾈﾙｷﾞｰの不確定性】

位置と運動量のﾍﾟｱが相補的変数であったように、ｴﾈﾙｷﾞｰと時間もそうである。電子に照射する光の振動数ν(1/s)を測定すると、時間tをかけるほど振動回数が増えるので正確な振動数の値が求められる。反対に短時間Δtの観測では、1回の振動すら終わらないかもしれず、振動数が曖昧となる。振動数と時間の間にはΔν･Δt≌1という不確定性原理が成り立つ。ここで光子のｴﾈﾙｷﾞｰは、E=hνなので式変換すると、ΔE･Δt≌hが導かれる。こうした不確定性を持つ光子を使い、電子のｴﾈﾙｷﾞｰと測定時間を厳密に同時に求めようとしても同じくΔE･Δt≌hが課せられる。測定時間を短くするほど(Δt→0)、得られるｴﾈﾙｷﾞｰの値は再現性がなくなり、統計的な振れ幅は大きくなる(ΔE→∞)。

【質量とm^2/sの不確定性】

位置、時間と来たら残るは質量に関する不確定性であるが、その場合、相補的変数の単位はm^2/sとなる。

【不確定性原理と二重性】

当初、不確定性原理は観測ﾃｸﾆｯｸの話から導入されたように感じるが、それが観測ﾃｸﾆｯｸを磨けば解決できるという次元ではなく、ﾐｸﾛ世界の本質的な性質と考え始められるのは、粒子性と波動性を同時に持つという二重性であろう。光については光電効果の理論的説明(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ/1905年)に既に二重性は考えられたが、電子においては電子線回折の発見(ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝとｶﾞｰﾏｰ/1927年)によりその波動性が実証された。

波動力学(ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式)からの不確定性原理の説明は以下の通り。電子の波動関数を正弦波に分解(ﾌｰﾘｴ変換)すると、粒子として検出される(波動関数がﾋﾟｰｸ形状)とは無数の(波長の異なる)正弦波の合成となる。正弦波の波長が電子の取りうる速度(→運動量)に対応し、粒子としてある位置に存在することが確認できる場合、その速度(→運動量)にはﾊﾞﾗﾂｷを持つことを要請する。一方で、波動関数がたった一つの正弦波で表される場合、空間上に存在確率が広がった状態で粒子としてどこか一ヵ所に特定できないが、電子の速度(→運動量)は決定できる。

ﾎﾞｰｱ研究所

(ﾎﾞｰｱの弟子達)

ｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈

※量子論の主流の考え方

重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)

「波の収縮」と「確率解釈」を2本柱として、ﾎﾞｰｱ研究所の若い物理学者達(ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ、ﾊﾟｳﾘ、ﾃﾞｨﾗｯｸなど)が提唱した、我々が観測する前の電子と観測後の電子の様子を理解するための次のように解釈した。観測される前の電子は様々な位置にいる状態が「重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)」になっているが、我々が電子を観測した途端に「波の収縮」が起きて電子は一ヵ所で発見される(ｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈)。

「波の収縮」とは、我々が電子の存在を観測する際には、常に(波ではなく)粒子である事実に基づき、観測前に空間的に広がった発見確率の波紋が、観測時にその一点に全確率(100%)が収縮することを意味する。観測以前の電子の存在確率が空間に広がった状態は、電子が「重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)」の状態にあると表現する。実際に電子がどの位置に観測されやすいかは、波動関数の「確率解釈」(ﾎﾞﾙﾝ/1926年)を用いる。

【決定論を重視するｱｲﾝｼｭﾀｲﾝによる批判】

量子論の曖昧さを自然界の本質的な原理だとして、確率解釈(ﾎﾞﾙﾝ/1926年)や不確定性原理(ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ/1927年)を認めるｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈に対して、従来通りの決定論を重んじるｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは『神はｻｲｺﾛ遊びを好まない』と言って批判し、曖昧さを取り除く隠れた変数の存在を主張し、量子論はまだ不完全な理論であるとした。その反論の一つとしてEPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ(1935年)がある。

ｸﾘﾝﾄﾝ･J.ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ

ﾚｽﾀｰ･H.ｶﾞｰﾏｰ

G.P.ﾄﾑｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ=ｶﾞｰﾏｰの実験

電子線の回折

※電子の波動性を実証

ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝとｶﾞｰﾏｰは、X線の回折現象と同様に電子線をNi単結晶に照射すると特有の回折模様(電子線回折)が得られた(ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ=ｶﾞｰﾏｰの実験)。同時期にJ.J.ﾄﾑｿﾝの息子であるG.P.ﾄﾑｿﾝは独立で、電子線を金属箔に通すことで電子線の回折模様(ﾃﾞﾊﾞｲ・ｼｪﾗｰ環)を得て、同じく電子の波動性を実証した。

ﾄﾞ・ﾌﾞﾛｲの物質波の発表(1923年)以降、電子を"粒子"でなく"波"と考えて原子内電子の在り様を量子力学として構築してきたわけであるが、電子の波動性が理論構築上･計算上の単なるﾃｸﾆｯｸのために必要とされるわけではなく、実際に電子が波であることを裏付ける実験的証拠が得られたと言える。

余談であるが、陰極線の正体を質量を持つ電子だと解明したJ.J.ﾄﾑｿﾝ(1897年)は、電子の粒子性の側面からﾉｰﾍﾞﾙ賞(1906年)を受賞した一方、その息子のG.P.ﾄﾑｿﾝは電子線回折により電子の波動性を証明してﾉｰﾍﾞﾙ賞(1937年)を受賞した。

※電子の波動性と粒子性を確かめる二重ｽﾘｯﾄ実験は、しばらく思考実験であったが、複数電子では1961年(ｸﾗｳｽ･ｲｪﾝｿﾝ)に、単電子では1974年(ﾋﾟｴｰﾙ･ｼﾞｮﾙｼﾞｮ･ﾒﾙﾘ)により行われる。また1999年にはより大きな分子量を持つﾌﾗｰﾚﾝを用いた二重ｽﾘｯﾄ実験がｱﾝﾄﾝ･ﾂｧｲﾘﾝｶﾞｰにより実施されている。

ﾌﾘｰﾄﾞﾘｯﾋ･ﾌﾝﾄ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾝﾈﾙ効果

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾊｲﾄﾗｰ

ﾌﾘｯﾂ･ﾛﾝﾄﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

水素共有結合の量子論

(ﾊｲﾄﾗｰ=ﾛﾝﾄﾞﾝの理論)

ｼｼﾞｳｨｯｸ

配位結合理論

ｳｨﾚﾑ･ｹｰｿﾝ

ｵﾗﾝﾀﾞ

液体ﾍﾘｳﾑII

ﾆｰﾙｽ･ﾎﾞｰｱ

ﾃﾞﾝﾏｰｸ

相補性原理

ｼﾞｮﾙｼﾞｭ･ﾙﾒｰﾄﾙ

ﾍﾞﾙｷﾞｰ

原始的原子説

※ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論の雛形

ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則

ﾊｯﾌﾞﾙ定数

観測ﾃﾞｰﾀによる宇宙膨張の発見

天文学者ﾙﾒｰﾄﾙは赤方偏移(1912年)を発見したｳﾞｪｽﾄ･ｽﾗｲﾌｧｰと、距離測定の専門家でありｱﾝﾄﾞﾛﾒﾀﾞが系外銀河であること確認(1924年)したｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾊｯﾌﾞﾙの観測ﾃﾞｰﾀに基づいて宇宙膨張論を独自に提唱した。理論的にはﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝが一般相対性理論の解として既に宇宙膨張ﾓﾃﾞﾙ(ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ宇宙)を提唱(1922年)しており、理論を観測

により裏付けたことになる。

ﾙﾒｰﾄﾙが使用した41個の遠方銀河の後退速度ﾃﾞｰﾀはｽﾗｲﾌｧｰの1922年のものを使用し、距離の測定ﾃﾞｰﾀは1926年にﾊｯﾌﾞﾙが出版した値を使用した。ﾙﾒｰﾄﾙが観測に基づき始めて世界で初めて計算したﾊｯﾌﾞﾙ定数は、625km/s/Mpcと575km/sMpcの2通りの前提で提示された。これは現在の最良値である約70km/s/Mpcと比べると8～9倍大きいが、当時の限られたﾃﾞｰﾀと距離の決定方法による。

ﾙﾒｰﾄﾙは、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則(宇宙膨張ﾓﾃﾞﾙ)をもとに宇宙は原始的原子(Primeval Atom)(または宇宙の卵)と呼ぶ一点から爆発して膨張したというﾓﾃﾞﾙを提唱した。余談であるが、ﾙﾒｰﾄﾙはｷﾘｽﾄ教の司祭でもあったので、聖書の通り宇宙に始まりがあるとすることは、宗教上の考えとも一致していると考えたのかもしれない。

ただ原子核物理学が発展するのは1930年代に入ってからであり、ﾙﾒｰﾄﾙの考えが受け入れられるには尚早であった。後にこの仮説は、批判する人々によってﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論と呼ばれるようになる。

ﾊｰﾏﾝ･ﾏﾗｰ

ｱﾒﾘｶ

X線照射による人為突然変異

ﾏﾗｰはX線をｼｮｳｼﾞｮｳﾊﾞｴに照射する実験を行い、人為的に突然変異を起こすことを発見した。ｼｮｳｼﾞｮｳﾊﾞｴを用いたのはﾏﾗｰがﾓｰｶﾞﾝの研究室にいたため。自然突然変異は確率が低いため、ﾏﾗｰの発見は遺伝学の研究に大きな貢献となった。

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式

(相対論的波動(電子)方程式)

①高速電子にも対応

②ｽﾋﾟﾝの導入

⇒微細構造の記述

③負のｴﾈﾙｷﾞｰ準位

⇒反粒子の予言へ

※量子電磁力学のはしり

ﾃﾞｨﾗｯｸは、原子内の静止電子だけでなく高速で運動する電子における相対論効果を導入するべく、特殊相対性理論(1905年)をｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式(1926年)に組み入れてﾃﾞｨﾗｯｸ方程式(相対論的波動方程式)を発表した。

①高速運動の記述 ※特殊相対論効果の反映

②ｽﾋﾟﾝの導入

光のｽﾍﾟｸﾄﾙ分析より存在が知られていたｽﾋﾟﾝは、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式にはなかった電子固有の物理量であるｽﾋﾟﾝの性質も自動的に内包された。これによりｽﾋﾟﾝ-軌道相互作用に由来する分光ｽﾍﾟｸﾄﾙのｴﾈﾙｷﾞｰ差(微細構造と呼ぶ)をも正しく記述できるようになる。

※後にﾃﾞｨﾗｯｸ方程式でも表せないﾗﾑｼﾌﾄという微細構造が指摘される(1947年)。

③負の電子ｴﾈﾙｷﾞｰ準位の存在 ※ 反粒子の存在

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式から電子のｴﾈﾙｷﾞｰを求めると、その範囲は正の方向に無限大のみならず、負の方向にも無限大となった。

･正に無限大とは、正の静止電子Eを下限として運動Eに応じてEは正に無限大

･負に無限大とは、負の静止電子Eを上限として運動Eに応じてEは負に無限大

素直に解釈すれば、電子はより安定なﾏｲﾅｽ無限大のｴﾈﾙｷﾞｰ状態へ落ち込み、その過程で光を放出し続けると考えられる。しかしそれは実測結果とは相反する。この部分の解釈については、ﾃﾞｨﾗｯｸは空孔理論(1930年)として別途発表される。

【なぜ実測可能な電子は静止E(+m0c^2)が下限なのか】

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式登場以前は、そもそも電子が取りうるそれより低いｴﾈﾙｷﾞｰ準位が存在しないからだった。ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式により電子の負のｴﾈﾙｷﾞｰ順位が示され、そこに実測可能な電子が落ち込まない理由は、既に負のｴﾈﾙｷﾞｰ領域に電子が満たされ、排他原理(同じｴﾈﾙｷﾞｰ状態をとれないﾌｪﾙﾐ粒子の統計)に従うためだと解釈される。水面に浮かんだ木の葉のような存在が実測可能な正のｴﾈﾙｷﾞｰの世界で飛び交う電子のようだ。

超伝導で見られる電子ｸｰﾊﾟｰ対のようなﾎﾞｰｽ粒子と化した環境では、負のｴﾈﾙｷﾞｰ領域の電子と状態を重ねることはできるのだろうか。

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

光の量子論

ｱﾙﾌｧ崩壊の理論

ﾄﾝﾈﾙ効果

原子核がｱﾙﾌｧ粒子を放出する理論を構築。原子核内のｱﾙﾌｧ粒子(陽子2個＋中性子2個)が、ﾄﾝﾈﾙ効果によりｸｰﾛﾝ力の障壁(噴火山型のﾎﾟﾃﾝｼｬﾙ･ｴﾈﾙｷﾞｰ)から浸み出すため、原子核から放出されることを示した。これとは逆の反応として、ﾄﾝﾈﾙ効果により原子核がｱﾙﾌｧ粒子を捕獲する(ｱﾙﾌｧ捕獲?)ことも示し、原子核同士が融合(核融合)する可能性を示した。

強磁性体の理論

金属電子の量子論

ｴﾈﾙｷﾞｰﾊﾞﾝﾄﾞ

金属の自由電子論

ｱｰｳﾞｨﾝｸﾞ･ﾗﾝｸﾞﾐｭｱ

ｱﾒﾘｶ

ﾌﾟﾗｽﾞﾏの命名

探針(ﾌﾟﾛｰﾌﾞ)

放電管のｶﾞﾗｽ容器内に電圧をかけると美しい色を放ちながら不思議な運動をする気体の様子を見てﾌﾟﾗｽﾞﾏと命名した。ﾌﾟﾗｽﾞﾏを計測する手段として探針(ﾌﾟﾛｰﾌﾞ)を開発し、ﾗﾝｸﾞﾐｭｱ･ﾌﾟﾛｰﾌﾞと呼ばれる。

ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ･ﾗﾏﾝ

ｲﾝﾄﾞ

ﾗﾏﾝ効果

※可視光における光の粒子性

X線における粒子性を示すｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果と同様に、可視光での粒子性の観測を行った。単色光を物質に当て、反射光を調べると入射光とは異なる振動数が混じることを観測。可視光では分子状態の変化に応じた量子ｴﾈﾙｷﾞｰ授受が起きている。

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ｴﾝﾄﾛﾋﾟｰの情報理論

1929

W.ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ

ｳﾞｫﾙﾌｶﾞﾝｸﾞ・ﾊﾟｳﾘ

ﾄﾞｲﾂ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

相対論的場の量子論

(量子電磁力学)

1929

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾄﾞｲﾂ

統一場の理論

1929

ｵｽｶﾙ･ｸﾗｲﾝ

仁科芳雄

ｽｳｪｰﾃﾞﾝ

日本

ｸﾗｲﾝ=仁科の式

※ｺﾝﾌﾟﾄﾝ散乱の理論

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾏｸｽｳｪﾙの悪魔の否定

分子の状態を知るためには仕事が必要だから、仕事することなしに分子を峻別できず、ｴﾝﾄﾛﾋﾟｰを下げられない…と説明。情報価値とｴﾝﾄﾛﾋﾟｰと結び付けた。

ｴﾄﾞｳｨﾝ･P.ﾊｯﾌﾞﾙ

論文『系外銀河の速度と距離の関係』

ﾊｯﾌﾞﾙの法則

※2018年にﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則

に名称変更

ﾊｯﾌﾞﾙ定数

宇宙膨張の確認

最大距離2Mpc(約752万光年)の範囲にある数十個の銀河の距離と、その赤方偏移をもとに計算される後退速度から、ﾙﾒｰﾄﾙに続き、距離と後退速度の比例関係(ﾊｯﾌﾞﾙの法則)があることを発表した。

※1Mpc(ﾒｶﾞﾊﾟｰｾｸは概ね銀河間の距離に相当し、参考として天の川銀河とｱﾝﾄﾞﾛﾒﾀﾞ銀河までの距離は約220万光年(=0.67Mpc)である。

ﾊｯﾌﾞﾙの法則の発見(もしくは確認)により、宇宙はあらゆる方向に一様に膨張していることが示された。論文で提示されたﾊｯﾌﾞﾙ定数は530km/s/Mpcであり、2年前(1927年)にﾙﾒｰﾄﾙが提示したﾊｯﾌﾞﾙ定数と大差はなかった。

※なお1931年にはﾊｯﾌﾞﾙとﾋｭｰﾒｲｿﾝが共同で観測する最大距離を30Mpcまで遠方に延ばして計算し、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則をより確実なものとした。

【静的宇宙像から動的宇宙像へ】

天動説が常識の古代から一般相対性理論を完成させたｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ(1910年代)に至るまで、世間の宇宙観は静的なものであった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝでさえも宇宙は静的であると信じており、宇宙は重力によっていずれ一点に潰れてしまうのではないか、という問題意識があった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは信念に基づいて宇宙が静的に存在するよう、自身の重力場方程式に斥力を働かせる宇宙項を導入している。しかしﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの発見により宇宙は動的なものであることが観測的に実証され、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは導入した宇宙項を放棄することにした。

※さらに1998年には宇宙の膨張が、加速膨張であることが発見される。

【恒星の距離を測る方法】

星の光の強さは、星自体の輝き(絶対光度)と、星との距離に依存する。見かけ上の星の明るさだけでは距離は測れない。星の距離を測るために、ﾊｯﾌﾞﾙはｾﾌｧｲﾄﾞ型変光星を目印にした。変光星(ﾌｧﾌﾞﾘﾂｨｳｽ/1596年に発見)とは明るさが周期的に変化する星であり、特にｾﾌｧｲﾄﾞ型変光星では絶対光度と変光周期の間に相関がある。つまり変光周期が長いほど絶対光度が大きい。ﾊｯﾌﾞﾙは変光星の見かけの光度と推定される絶対光度から、その変光星を含む銀河の距離を算定した。そして各銀河の後退速度はｽﾍﾟｸﾄﾙの赤方偏移として得られ、両者(距離と赤方偏移の程度)を比較した。

ｽｺﾍﾞﾙﾁﾝ

宇宙線ｼｬﾜｰ(空気ｼｬﾜｰ)

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

空孔理論 (ﾃﾞｨﾗｯｸの海)

⇒真空の描像
反粒子(陽電子)の予言

⇒電子対生成

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式(1928年発表)では、電子のｴﾈﾙｷﾞｰは正領域のみらず、負領域も取りえた。実測ﾃﾞｰﾀと相反するこの理論的結果の解釈のため、空孔理論を提唱。

ﾃﾞｨﾗｯｸはﾊﾟｳﾘの排他原理(1925年/ﾊﾟｳﾘ)に従い、真空中には負のｴﾈﾙｷﾞｰ状態の電子で埋め尽くされていると考えた。

【真空から電子を叩き出す】

真空に充満するとされる負の電子を我々は感じられない(観測できない)。真空中に正のｴﾈﾙｷﾞｰを注入することで、我々が観測できる正のｴﾈﾙｷﾞｰ準位の世界に負の電子を引っ張り上げることは可能。具体的にはｶﾞﾝﾏ線など強いｴﾈﾙｷﾞｰを真空中に放つと(観測不能な)"負ｴﾈﾙｷﾞｰの電子"が、観測可能な"正ｴﾈﾙｷﾞｰの電子"として現れ、同時に抜けた穴(空孔)は"正のｴﾈﾙｷﾞｰの反電子"として振る舞うと予言した(電子対生成と呼ぶ)。必要なｶﾞﾝﾏ線のｴﾈﾙｷﾞｰ下限は、正と負の静止ｴﾈﾙｷﾞｰ･ｷﾞｬｯﾌﾟに相当する2m0c^2で約1000keV。負ｴﾈﾙｷﾞｰ領域から引っ張り上げて普通の電子として観測されると同時に、負ｴﾈﾙｷﾞｰ領域には抜けた空席が生じる。電荷保存則のため、生じる電子の空孔はﾌﾟﾗｽの電荷を持つ電子(⇒陽電子もしくは反電子)となる。

※反電子はｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝにより1932年に宇宙線観測の中で発見される。

※反陽子はｾｸﾞﾚとﾁｪﾝﾊﾞﾚﾝにより1955年に加速器ﾍﾊﾞﾄﾛﾝの中で発見される。

ｸﾗｲﾄﾞ･ﾄﾝﾎﾞｰ

ﾊﾟｰｼｳﾞｧﾙ･ﾛｰｴﾙが摂動論により予言した冥王星をｸﾗｲﾄﾞ･ﾄﾝﾎﾞｰが発見した。冥王星の記号♇ は、予言者ﾊﾟｰｼｳﾞｧﾙ･ﾛｰｴﾙの頭文字の組み合わせものである。

※冥王星は2006年に準惑星に降格。

S.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ

ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量

※白色矮星の質量上限値

星は終末期に入った時、一定の条件が揃うと白色矮星(青白い光を放つ地球程度の小さい星)になるが、その質量には上限値(ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量)があることを発見。

※S.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙの叔父は、ﾗﾏﾝ効果(1928年)を発見したﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ･ﾗﾏﾝである。

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾎﾞｰﾃ

ﾊｰﾊﾞｰﾄ･ﾍﾞｯｶｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線

※極めて透過力の大きい放射線

※後に中性子線だと判明

※中性子線源(α線源+Be)

α線をBe(ﾍﾞﾘﾘｳﾑ)に当てると、極めて透過力の高い放射線が叩き出されることを発見し、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線と名付けた。両者はその透過力の大きさからγ線(ｶﾞﾝﾏ線)ではないか…と推測した。

※後にﾍﾞﾘﾘｳﾑ線は中性子線であることが明らかとなるが、しばらく中性子線を得る線源として、ﾗｼﾞｳﾑとﾍﾞﾘﾘｳﾑの混ぜ物が利用される。つまり、α線源のﾗｼﾞｳﾑから発生するα線がﾍﾞﾘﾘｳﾑに衝突して中性子(ここではﾍﾞﾘﾘｳﾑ線)を放出する。

【ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻による確認実験：中性子の発見を逃す】

ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線の発見に注目したｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻(夫のﾌﾚﾃﾞﾘｯｸ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰと妻のｲﾚｰﾇ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ)は、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線をﾊﾟﾗﾌｨﾝなどの水素を含む物質に照射し、そこから沢山の陽子が勢いよく飛び出すことを確認した。ﾎﾞｰﾃとﾍﾞｯｶｰの推測に基づく先入観に引きずられてか、夫妻もｶﾞﾝﾏ線によって陽子が弾き出されているのだろう…と解釈した。

ｱｰﾈｽﾄ･ﾛｰﾚﾝｽ

ﾘﾋﾞﾝｸﾞｽﾄﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｻｲｸﾛﾄﾛﾝ

静磁場と交流電場による加速器

※加速器の大型化の始まり

ﾛｰﾚﾝｽはﾄﾞｲﾂのｳｨﾄﾞﾚｰの論文をﾋﾝﾄにし、静磁場と交流電場(高周波電場)を用いて荷電粒子を螺旋状に加速させる加速器(ｻｲｸﾛﾄﾛﾝ)を開発。電磁石による静磁場はﾌﾚﾐﾝｸﾞの左手の法則に従い、荷電粒子の軌道を曲げて円運動にし、その進行方向に合わせて常に加速できるように高周波電場を掛ける。ｻｲｸﾛﾄﾛﾝでは、加速される荷電粒子の円軌道は(静磁場が一定のため)次第に大きくなり螺旋を描くため、限られた空間で繰り返し加速でき、(同程度の大きさの)直線加速器に比べて大きなｴﾈﾙｷﾞｰを付加できる。

ｳﾞｫﾙﾌｶﾞﾝｸﾞ･ﾊﾟｳﾘ

ｵｰｽﾄﾘｱ

=ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾆｭｰﾄﾘﾉ仮説

※ﾍﾞｰﾀ崩壊の説明

ﾍﾞｰﾀ崩壊の前後で保存則が成立していないのでは…という問題があった。ﾊﾟｳﾘはﾍﾞｰﾀ崩壊におけるｴﾈﾙｷﾞｰ保存則と角運動量保存則が成立するように中性の粒子(ﾆｭｰﾄﾘﾉ,中性微子)の存在を仮定した。

ｴﾄﾞｳｨﾝ･P.ﾊｯﾌﾞﾙ

ﾐﾙﾄﾝ･ﾗｾﾙ･ﾋｭｰﾒｲｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則の検証

※最大距離を30Mpcまで延長

ﾊｯﾌﾞﾙとﾋｭｰﾒｲｿﾝは、観測対象とする銀河の距離を2Mpcから30Mpcまで拡大し、1929年のﾊｯﾌﾞﾙの論文発表時よりもｻﾝﾌﾟﾙ(銀河数)を41個増やした。

その結果、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則が確実に成立することを確認できた。

ﾏｯｸｽ･ｸﾉｰﾙ

ｴﾙﾝｽﾄ･ﾙｽｶ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾍﾞﾙﾘﾝ工科大学のｸﾉｰﾙとﾙｽｶは最初の電子顕微鏡(透過型電子顕微鏡)を開発した。光学顕微鏡ではｳｲﾙｽの観察はできなかったが、電子顕微鏡では電子線の持つ運動ｴﾈﾙｷﾞｰに対応する波長が可視光線より短くでき、光学顕微鏡の1000倍以上の微細な対象を観察できるようになった。

※基本的に、顕微鏡の分解能は用いる光源(電子顕微鏡の場合は電子線)の波長と同程度となる。池に石を投げたら石と同程度の大きさの波長の波紋が広がり、その波紋に干渉する(新たに波紋が発生する)のは同程度の大きさの構造物に対してである。波長が大きく異なる場合には、単にその構造物を透過するだけで干渉しない。

ﾊﾛﾙﾄﾞ･A.ｳｨﾙｿﾝ

ｲｷﾞﾘｽ

半導体理論

※半導体の始まり

ｶｰﾙ･ｼﾞｬﾝｽｷｰ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾙｽ･ｵﾝｻｰｶﾞｰ

ｱﾒﾘｶ

ｼﾞｪｰﾑｽﾞ･ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

中性子

※ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線の正体を解明

ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞとﾁｬﾄﾞｳｨｯｸは、ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻によるﾍﾞﾘﾘｳﾑ線のﾊﾟﾗﾌｨﾝへの照射実験の報告(1932年)を聞き、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線をｶﾞﾝﾏ線だとする解釈に違和感を抱いた。確かに光電効果のように光が電子のような軽い物質を弾き飛ばす現象は知られているものの、陽子のような質量の大きい物体(電子の2000倍)を光が弾き飛ばせるのだろうか…と。1920年には既に中性の粒子の存在を予想していたﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞには、高い透過力と陽子を弾き飛ばす質量を兼ね備えたﾍﾞﾘﾘｳﾑ線にﾋﾟﾝとくるものがあったと思われる。

ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸは、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線(α線をﾍﾞﾘﾘｳﾑに照射して得る)を様々な物質に照射し、そこから叩き出されてくる陽子以外の原子核の反跳も測定した結果、それは陽子とほぼ等しい質量を持つ電気的に中性な粒子(中性子)であることを突き止めた。

※以上より、原子核の構成要素である陽子と中性子が明らかになり、原子核の中身について語れる材料が出揃った。

ｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

陽電子(反電子)

電子対生成

磁場をかけた霧箱(1911年)で宇宙線を観測する中、正負一対で出現する荷電粒子の存在に気が付いた。当初は正電荷と言えば陽子であったが、この正電荷は電子と同じ質量を持つため陽電子(ﾎﾟｼﾞﾄﾛﾝ)と名付けた。これはﾃﾞｨﾗｯｸがﾃﾞｨﾗｯｸ方程式の解として予言した反電子(反粒子)の発見である。

なお真空中に突如として出現する電子と陽電子の電子対(電子対生成と呼ぶ)は、宇宙線(γ線)を元手に、そのｴﾈﾙｷﾞｰ(E=mc^2で計算される電子質量2個分の約1024keV)と運動量を保存する形式で起きている。

ﾊﾛﾙﾄﾞ･ﾕｰﾘｰ

ｱﾒﾘｶ

重水素

水素のｽﾍﾟｸﾄﾙ線の位置が僅かにｽﾞﾚることから、水素の同位体(重水素)を発見。

ﾄﾞﾐﾄﾘｰ･ｲﾜﾈﾝｺ

ｿ連

原子核の構造理論

ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸによる中性子の発見を受けて、原子核の中には陽子と中性子のみが含まれ、そこに電子は存在しないとする説を提唱。

ｳﾞｪﾙﾅｰ･ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ

ﾄﾞｲﾂ

書物『原子核構造論』

原子核の構造理論

ﾄﾞﾐﾄﾘｰ･ｲﾜﾈﾝｺの説を支持する形で、ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞは原子核が陽子と中性子から構成されると考えると矛盾なく説明できると発表した。原子核内の陽子と中性子を安定的に結び付けている力は何か?といった課題も浮き彫りとなる。

※この課題意識は、後に湯川秀樹による中間子論の発表につながる。

C.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ

ﾊﾟｷｽﾀﾝ

ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの発生ﾌﾟﾛｾｽ

星は終末期において、ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量を超えると重力崩壊を起こし、白色矮星ではなくﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙとなる可能性を示唆。

※光さえ脱出できないﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念は一般相対性理論が公開された1915年と同年にｶｰﾙ･ｼｭﾊﾞﾙﾂｼﾙﾄによって理論的に導出されたが、ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙは具体的な発生ﾌﾟﾛｾｽの説明を与えたと言える。

ｼﾞｮﾝ･ｺｯｸｸﾛﾌﾄ

ｱｰﾈｽﾄ･ｳｫﾙﾄﾝ

ｲｷﾞﾘｽ

ｱｲﾙﾗﾝﾄﾞ

ｺｯｸｸﾛﾌﾄ･ｳｫﾙﾄﾝ型加速器

高電圧加速装置で人工的な原子核変換

人工的な原子核反応を引き起こせるほどの高ｴﾈﾙｷﾞｰの荷電粒子を得る加速器を初めて製作。この加速器では、交流を直流高圧に変換する電圧増幅回路(ｺｯｸｸﾛﾌﾄ・ｳｫﾙﾄﾝ回路)により0.5MeV程度の高電圧を作り、陽子加速試験でLi(原子番号3)からHe(原子番号2)の製造に成功した。Raなどの天然の放射線源に頼らない世界初の人工原子核反応である。なお加速させる陽子は、水素ｶﾞｽを高圧放電で電離させて得る。

※静電場を利用した直線加速器(ｺｯｸｸﾛﾌﾄ・ｳｫﾙﾄﾝ型加速器、ﾊﾞﾝﾃﾞｸﾞﾗｰﾌ型加速器)で高ｴﾈﾙｷﾞｰ荷電粒子を得るには絶縁耐性の観点で限界があった。

ﾌｫﾝ･ﾉｲﾏﾝ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

書物『量子力学の数学的基礎』

ｼｭﾚｰﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式は波の収縮を説明できない

ﾗｲﾅｽ･ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ

ﾗｲﾅｽ･ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ

炭素原子の電子構造

混成軌道の概念

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾏｲｽﾅｰ

ﾛｰﾍﾞﾙﾄ･ｵｸｾﾝﾌｪﾙﾄ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ﾍﾞｰﾀ崩壊の理論

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

中性子による核連鎖反応の構想

ﾌﾘｯﾂ･ﾂﾋﾞｯｷｰ

ｳｨﾙﾀｰ･ﾊﾞｰﾃﾞ

ｽｲｽ

ﾄﾞｲﾂ

中性子星ﾓﾃﾞﾙ

ｿﾞﾝﾏｰﾌｪﾙﾄ

ﾍﾞｰﾃ

書物『固体電理論』

ﾋﾄﾗｰ政権の誕生。

【ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝのｱﾒﾘｶ亡命】

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは当年にｱﾒﾘｶに亡命し、1955年に亡くなるまで再びﾄﾞｲﾂの地を踏むことはなかった。

J.F.ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ

ｲﾚｰﾇ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ

※ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻

ﾌﾗﾝｽ

ﾌﾗﾝｽ

α線による軽元素の核変換

※人工的な放射性元素の生成

ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻はPo(ﾎﾟﾛﾆｳﾑ)由来のα線を放射能のない軽元素(BやAl)に照射させて、人工的に放射性元素(自然界には存在しないﾘﾝ(P)の放射性同位元素)が得られることを発見した。

放射能のないｱﾙﾐﾆｳﾑ(Al)にα線を当てると、α粒子が取り込まれﾘﾝ(P)と中性子と陽電子(1932年にｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝにより宇宙線の中で発見)が生まれる。ここで新たに発生したPが自然界にない放射性同位体元素(安定同位体より中性子が1個少ない)であり、放射能を帯びる。

中性子線による重元素の核変換

※超ｳﾗﾝ元素生成の可能性

低速中性子(熱中性子)の生成

ｼﾞｮﾘｵ・ｷｭﾘｰ夫妻のα線による人工放射能の実験を知り、中性子線を使ってみようと考えた。α線の場合、正電荷のために原子核から電気的反発が大きく、核変換を誘発できるのは比較的軽い元素に限定されていた。一方、中性子線を使えば、重元素の原子核に対しても電気的反発なく核変換を誘発できると考えた。

ﾌｪﾙﾐは中性子線源(ﾗｼﾞｳﾑとﾍﾞﾘﾘｳﾑの混ぜ物)から放射される中性子線(ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線)を60種余りの元素に照射して、約40種の放射性元素を生成した。期待通り、中性子線の方が核反応効率が高まることが確認できた。ｼﾞｮﾘｵ・ｷｭﾘｰ夫妻の実験報告から2ヵ月後のこと。

さらに半年後の1934年10月、中性子線源と標的元素との間にﾊﾟﾗﾌｨﾝや水を挟む方が、核反応の効率が上がり、得られる放射性元素の放射能が強まることを発見する。また水素を含まない物質を挟んでも、核反応の効率は上がらなかった。ﾌｪﾙﾐは次のように解釈した。水やﾊﾟﾗﾌｨﾝなど水素を多く含む物質を通過した中性子は、水素との繰り返す衝突によって徐々にその運動ｴﾈﾙｷﾞｰを失い、低速の中性子線となる。この低速中性子の方が核反応を誘発しやすいと考えた。低速中性子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰは物質の熱振動と同程度となるため、熱中性子とも呼ばれる。

ﾁｪﾚﾝｺﾌ光

光は真空中で最速であるが、水中など媒質中では屈折率に応じて減速する。水中では光速度は約25%減速するため、光速度を上回るｽﾋﾟｰﾄﾞの荷電粒子も現れ、そうした荷電粒子からはﾁｪﾚﾝｺﾌ光が放射される。

1934

1934

ﾊｰﾊﾞｰは晩年、ｱﾒﾘｶへの移住を希望したものの、科学者の移住枠は既に埋まったという理由で許諾されなかった。ﾊｰﾊﾞｰはｽｲｽのﾊﾞｰｾﾞﾙで失意のうちに65歳でこの世を去った。

ﾊｰﾊﾞｰの生涯は毀誉褒貶の激しいものだった。空中窒素固定法(ﾊｰﾊﾞｰ=ﾎﾞｯｼｭ法)により大量の爆薬が作られ人を殺した一方で、土地がやせ作物の収穫が減少するという何千年来の難題を解決し、無数の人々の食糧を確保した。またﾊｰﾊﾞｰはﾏｽﾀｰﾄﾞｶﾞｽなどの化学兵器の開発を行い、ﾄﾞｲﾂの軍事戦力に多大な貢献をしている。戦争の早期終結のためと主張したが、多くの人々から戦争犯罪人と見なされた。

中間子論

※第三の力、核力の理論

中間子を予言

※仮想粒子の概念

1932年に発見された中性子(ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸ)は、陽子に加えて原子核の構成要素と見なされ始めた。当時知られていた自然界の基本的な力は、重力と電磁気力の2種である。原子核という狭い領域(10^-15mほど)に押し込めている陽子や中性子にも上記2種の力が働いている。しかし、電気力による斥力に対して重力の引力はあまりにも弱く、既存の力以外の原子核として安定に束ねる新たな力を必要とした。

湯川は原子核内の核子間で働く第三の力として核力を提唱(中間子論)。中間子という核子(陽子と中性子)同士の結合を生み出す仲立ち粒子を想定した。湯川は、その力が及ぶ範囲(2×10^-13m程度)と媒介粒子と想定した中間子の質量(不確定性原理などの条件から電子の200倍程度)の関係は、反比例することに気づいた。

湯川が予言した中間子(ﾒｿﾝ)は、ｾｼﾙ･ﾌﾗﾝｸ･ﾊﾟｳｴﾙにより1948年に発見される。

※結合(引力)というのは、粒子間の粒子の授受によって引き起こされると考える。

【遠距離力と近距離力】

【不確定性原理が測定技術上の問題から、自然現象の本質的な性質に】

不確定性原理が提唱された時(1927年)、それは我々の観測技術の拙さから生じうる性質というきらいがあった。しかし湯川の中間子論では不確定性原理が自然界の本質的な性質として導入されたようだ。核子間を飛び交う中間子は結合力を生み出すが、その結合ｴﾈﾙｷﾞｰに相当する中間子の質量(m=E/c^2)は比較的大きく、

ﾍﾞｰﾃ=ｳﾞｧｲﾂｾﾞｯｶｰの公式

原子核の油滴模型をﾍﾞｰｽに核の結合ｴﾈﾙｷﾞｰを算出する式。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾎﾞﾘｽ･ﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰ

ﾈｲｻﾝ･ﾛｰｾﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾛｼｱ

ｱﾒﾘｶ

EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ

(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ=ﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰ=ﾛ-ｾﾞﾝのﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ)

量子論ではｽﾋﾟﾝ保存則を維持するために、光速度以上に情報が遠方に瞬時に伝わることが起こりうることを思考実験から予測し、それは相対性理論における宇宙の制限速度である光速度以上のものはないという前提と矛盾することを指摘。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの研究室のﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰとﾛｰｾﾞﾝの3名で発表したことで、EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽと呼ばれる。

※EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽはｱｽﾍﾟにより1982年に実験的に検証し、ﾍﾞﾙの不等式(ﾍﾞﾙ/1965年)が成立しないことを示し、光速度を越えて情報が伝わる現象があることを意味し、量子論に軍配が上がった。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾈｲｻﾝ･ﾛｰｾﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾜｰﾑﾎｰﾙ(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ=ﾛｰｾﾞﾝの橋)

重力場方程式からﾜｰﾑﾎｰﾙを表す時空解をｱｲﾝｼｭﾀｲﾝとﾛｰｾﾞﾝが発見。

【ﾜｰﾑﾎｰﾙの名前について】

ﾜｰﾑﾎｰﾙという名前は1957年にﾊﾞﾗｰﾄﾞが命名した。

ｳｫｰﾚｽ･ｶﾛｻﾞｰｽ

ｱﾒﾘｶ

世界初の合成繊維ﾅｲﾛﾝ

ｲｷﾞﾘｽ貴族のﾎﾟｰﾂﾏｽ伯爵ﾘﾐﾝﾄﾝ卿が、ﾛﾝﾄﾞﾝで開かれたｻｻﾞﾋﾞｰｽﾞの競売に家宝として代々受け継がれてきた秘蔵の品、ﾆｭｰﾄﾝの手稿を出した。ﾘﾐﾝﾄﾝ卿は相続や離婚に伴う費用の捻出に苦労していたようである。経済学者ｹｲﾝｽﾞはﾆｭｰﾄﾝの貴重な資料が散逸するのを心配し、その約半分を落札した。落札した手稿は、65万字にも及ぶ錬金術ﾉｰﾄであった。ﾆｭｰﾄﾝは、ﾄﾘﾃﾆﾃｨ･ｶﾚｯｼﾞの礼拝堂近くの庭の端にある木造二階建ての建物を錬金術の実験室として使用していたという。ｹｲﾝｽﾞはこうした有様を「片足を中世に置き、片足は近代科学への途を踏んでいる」と表現した。

ｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ

ｾｽ･ﾈｯﾀﾞｰﾏｲﾔｰ

ｲｷﾞﾘｽ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾊﾝｽ･ﾍﾞｰﾃ

ｳﾞｧｲﾂｾﾞｯｶｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

恒星(太陽)のｴﾈﾙｷﾞｰ源

核反応ｻｲｸﾙ

p-p chain反応

ﾍﾞｰﾃは様々な核融合反応が起きる確率(反応断面積と呼ぶ)を検討し、太陽が水素の原子核同士の核融合反応によって莫大なｴﾈﾙｷﾞｰを放出することを示した。ｳﾞｧｲﾂｪｯｶｰも独立して発表。

星の内部の超高温、高密度の環境では炭素を触媒にして、陽子(水素ｲｵﾝ)同士が融合して重水素(ﾕｰﾘｰ/1932年)が形成され、重水素同士の融合によってﾍﾘｳﾑが生じる。軽い原子核が融合し質量の大きいより安定した原子核が作られることで、その反応前後の質量差がE=mc^2として開放され、星は輝いている。

ｽﾘｯﾂ･ﾂﾋﾞｯｷｰ

ｽｲｽ

銀河の見えない質量(重力源)

※暗黒物質の存在の示唆

ｴﾐﾘｵ・ｾｸﾞﾚ

C.ﾍﾟﾘｴ

ｲﾀﾘｱ

ｲﾀﾘｱ

最初の人工元素(ﾃｸﾈﾁｳﾑ(Tc))

原子番号43のﾃｸﾈﾁｳﾑ(Tc)には安定した核種が存在せず、天然鉱物から見つけることは困難であった(但し、ｳﾗﾝ鉱石中のｳﾗﾝ核分裂由来のﾓﾘﾌﾞﾃﾞﾝ(Mo)の壊変で生じるTcは1968年に発見される)。

ｾｸﾞﾚとﾍﾟﾘｴは、ｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学のｻｲｸﾛﾄﾛﾝでMoに重陽子(陽子1個と中性子1個からなる重水素の原子核)を照射し、周期表上のMnとReに似た新しい元素を得た。1947年にこの元素は人工的に作られた最初の元素として、ｷﾞﾘｼｬ語の"人工の"を意味するﾃｸﾈﾁｳﾑと命名された。

ﾏﾝﾌﾚｰﾄ・ｱﾙﾃﾞﾝﾇ

ﾄﾞｲﾂ

走査型電子顕微鏡 (SEM)

1937

ﾋﾟｮｰﾄﾙ･ｶﾋﾟｯﾂｧ

液体ﾍﾘｳﾑIIの超流動

Heの同位体のうち主要なHe4は、絶対零度でも常圧下では固体化せず、液体として存在する。ｶﾋﾟｯﾂｱは、He4を約2.2Kまで下げると粘性が完全に失われる超流動現象を発見し、容器の壁を自然によじ登って外に流れ出したり、原子1個分の小さな穴さえも通るようになる。なおﾍﾘｳﾑの主成分であるHe4は、同位体のHe3の100万倍多く含まれる。

※極低温では物質の量子効果が巨視ｽｹｰﾙで現れるため、量子的挙動が大きく異なるHeの同位体(He4とHe3)を区別して考える必要がある。He3の超流動現象の発見は1972年である。

1937

ﾎｲｯﾄﾙ

ｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝ

ﾎｲｯﾄﾙが主任技師を務めるﾊﾟﾜｰｼﾞｪｯﾄ社が世界初のｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝの開発に成功。

1937

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

書物『新しい錬金術』

※前年の講演内容の書籍化

1936年、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞはｹﾝﾌﾞﾘｯｼﾞのﾆｭｰﾊﾑ･ｶﾚｯｼﾞで「ﾍﾝﾘｰ･ｼｼﾞｳｨｯｸ記念講演」を行った。翌年、その講演録が書物『新しい錬金術』としてｹﾝﾌﾞﾘｯｼﾞ大学出版から刊行された。その中でﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞは次のように語っている。

「現代の科学に目を向けると、極めて微量ではあるが、金を作り出すことは夢ではなくなっている。但し、金よりも高価な元素、白金を変換するわけであるから、採算は全く合わないが」

ここでﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞが述べている錬金術は、白金(原子番号:78)を金(原子番号:79)にする方法であって、白金に陽子を一つ打ち込むことを意味する。1930年代に入ると、水素ｶﾞｽを高圧放電によって電離させ、陽子を作り出し加速させる装置が開発されていたため、既存のﾗｼﾞｳﾑ由来のα線よりも正電荷が低く、運動ｴﾈﾙｷﾞｰも調整できるという技術面での進歩が錬金術を可能にさせたと言える。但し、全く採算が合わないのはﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞが述べる通りである。

※長岡半太郎がかつて失敗した水銀還金実験(1924年)は、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの錬金術とは逆に原子核を壊す(原子番号を減らす)方法での錬金術であった。

1937

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ、逝去

1938

ﾅﾁｽﾄﾞｲﾂ、ｵｰｽﾄﾘｱを併合

ｵｯﾄｰ･ﾊｰﾝ

ﾌﾘｯﾂ･ｼｭﾄﾗｽﾏﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ｳﾗﾝの核分裂の発見

※原子番号の大幅な変化を伴う核変換

二次中性子と連鎖反応の示唆

1934年のﾌｪﾙﾐの中性子照射による核反応実験以降、中性子を用いた様々な実験が行われてきたが、標的元素の原子番号の変化が2を超えるような反応は一例も見られなかった。

ところが1938年冬、ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝはｳﾗﾝ(Z=92)に中性子を照射する実験で、一部のｳﾗﾝが中性子を吸収して莫大なｴﾈﾙｷﾞｰと2つの放射性同位体元素(ﾊﾞﾘｳﾑ(Z=56)とｸﾘﾌﾟﾄﾝ(Z=36))に分かれることを発見した。ｳﾗﾝの核は中性子によってほぼ半分に割れてしまったことになる。なお本実験の発表は、年明けの1939年1月6日である。

ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝの実験結果に理論的な解釈を与えるのは、共同研究者であったﾏｲﾄﾅｰとﾌﾘｯｼｭである。但し、ﾕﾀﾞﾔ系のｵｰｽﾄﾘｱ人であったﾏｲﾄﾅｰはこの頃、ﾅﾁｽﾄﾞｲﾂによるｵｰｽﾄﾘｱ併合に伴いﾅﾁｽの直接的な影響下となったことを受けて、ｽｳｪｰﾃﾞﾝへ亡命する。

ﾘｰｾﾞ･ﾏｲﾄﾅｰ

ｵｯﾄｰ･ﾛﾍﾞﾙﾄ･ﾌﾘｯｼｭ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｳﾗﾝの核分裂の理論的解釈

ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝの実験結果に、ﾏｲﾄﾅｰとﾌﾘｯｼｭは原子核の油滴ﾓﾃﾞﾙを用いてその理論的な説明を与えた。ｳﾗﾝの原子核では、その狭い領域に92個の陽子を封じ込こめるために強い電気的反発力が生じている不安定な状態である。中性子の衝突を受けると、液滴の揺れが増大し、その表面張力を振り切って二つの小滴に分裂すると説明した。

※原子核の液滴ﾓﾃﾞﾙとは、陽子と中性子の集団である核を分子の集団である液体の滴に見立て、核の構造や性質を記述するﾓﾃﾞﾙである。

【核力について】

陽子同士の電気的反発力を封じ込め、陽子と中性子といったﾊﾄﾞﾛﾝを結び付ける力は核力であり、1935年に湯川秀樹の中間子論によって提唱されていた。なお中間子論で予言された中間子は、1947年にｾｼﾙ･F.ﾊﾟｳｴﾙによって発見される。

【ﾏｲﾄﾅｰのｽｳｪｰﾃﾞﾝ亡命】

ﾊｲﾝｹﾙ社

ｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝ搭載飛行機の実用化

ﾊｲﾝｹﾙ社が独自に開発したｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝを搭載したHe178の試験飛行に成功。

ﾃﾞｭﾎﾟﾝ社

ｳｫｰﾚｽ･ｶﾛｻﾞｰｽ

ｱﾒﾘｶ

第二次世界大戦、勃発(～1945年)

1939年9月1日、ﾄﾞｲﾂ軍のﾎﾟｰﾗﾝﾄﾞ侵攻により第二次世界大戦が始まる。この時、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは滞米生活6年目を迎えていた。

【ﾌｪﾙﾐのｱﾒﾘｶ亡命】

ﾑｯｿﾘｰﾆが支配するｲﾀﾘｱでもﾕﾀﾞﾔ人弾圧が強まっていた。ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐは妻がﾕﾀﾞﾔ人であったため、1938年のﾉｰﾍﾞﾙ物理学賞(中性子照射による放射性元素の生成)の受賞式出席に乗じてｱﾒﾘｶ亡命を決行。ｽﾄｯｸﾎﾙﾑを経由して1939年1月2日にｱﾒﾘｶに渡った。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ﾕｰｼﾞﾝ･ﾎﾟｰﾙ･ｳｨｸﾞﾅｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領への書簡

⇒原爆開発の危険性の訴え

滞米生活6年目を迎えていたｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは、一般相対性理論を拡張し、重力と電磁気力を統一した理論の構築を目指していた。

そんな中、1939年7月、来訪してきたｼﾗｰﾄﾞとｳｨｸﾞﾅｰ(両者はﾊﾝｶﾞﾘｰよりｱﾒﾘｶに亡命)からﾄﾞｲﾂが原子爆弾の開発に乗り出す危険性があることの強い訴えを聞いた。この背景として1938年末のｳﾗﾝの核分裂反応の発見がある。

ｼﾗｰﾄﾞと話すまで、ｳﾗﾝの二次中性子放出による核分裂連鎖反応の可能性を考えていなかったｱｲﾝｼｭﾀｲﾝであったが、すぐに事の重大さを理解した。1939年8月2日、彼らの訴えに端を発し、影響力のあるｱｲﾝｼｭﾀｲﾝを差出人として、ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領にｱﾒﾘｶも早急に然るべき行動に移るべきである亡命科学者の訴えを書簡として送った。※実際に大統領に届くには、大戦勃発後の1939年10月11日。

【良質のｳﾗﾝ鉱石の産出地について】

書簡の中では、ｳﾗﾝ資源の所在についても記載されている。

「ｱﾒﾘｶには質の悪いｳﾗﾝ鉱石が僅かに産出されるだけなので、良質のｳﾗﾝ鉱石はｶﾅﾀﾞと旧ﾁｪｺｽﾛﾊﾞｷｱにいくらかあり、もっとも重要なその供給源はﾍﾞﾙｷﾞｰ領ｺﾝｺﾞになると書かれている。そして、ﾄﾞｲﾂは接収したﾁｪｺｽﾛﾊﾞｷｱから採掘されるｳﾗﾝの輸出を停止したようなので注意が必要である。」

【ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの後悔】

大戦後、当時のﾄﾞｲﾂには原子爆弾を開発できる可能性がなかったことを知ると、この書簡に署名したことをいたく悔やんだとされる。ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領が核兵器開発のｺﾞｰｻｲﾝを出すのは1941年10月である。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ自身は、ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画というｺｰﾄﾞﾈｰﾑで進められる核兵器開発には関与していない。

磁気共鳴法

NMR信号の検出

ﾛﾊﾞｰﾄ･ｵｯﾍﾟﾝﾊｲﾏｰ

ﾊｰﾄﾗﾝﾄﾞ･ｼｭﾅｲﾀﾞｰ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの理論的発生ﾌﾟﾛｾｽ

※ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念の確立

両氏は、星が死んで重力崩壊していく時の様子を一般相対性理論を用いて調べた。そして星は、自身の重力によって無限小に縮小すると指摘した。ここに至って初めて今日のﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念が誕生した。なおこの時はﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙではなく、重力崩壊星(collapsing star)と呼ばれていた。

※ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙと呼ばれるのは、1967年12月にｼﾞｮﾝ･ﾎｲｰﾗｰが講義で使ったのが最初とされる。

ﾘﾁｬｰﾄﾞ･P.ﾌｧｲﾝﾏﾝ

ｱﾒﾘｶ

経路積分

ｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾏｸﾐﾗﾝ

ﾌｨﾘｯﾌﾟ･ｱﾍﾞﾙｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

原子番号93ﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑ(Np)の生成

※超ｳﾗﾝ元素の生成

天然に存在する元素の中で最も重いのは原子番号92のｳﾗﾝ(U)であるが、ｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学ﾊﾞｰｸﾚｰ校のﾏｸﾐﾗﾝとｱﾍﾞﾙｿﾝは、核反応の生成物の中に原子番号93の新元素(ﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑ)を発見した。初の超ｳﾗﾝ元素となった。

核分裂を起こさないｳﾗﾝ238の核は、照射された中性子を吸収すると、質量数239のｳﾗﾝ同位体となる。これがﾍﾞｰﾀ線を放射するとﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑに変換される。

1940

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ｱﾒﾘｶ

書物『不思議の国のﾄﾑｷﾝｽ』

※相対論の啓蒙書

核物理学者ｶﾞﾓﾌによる相対論に関する啓蒙書である。相対論効果を想像しにくくさせる理由は光速度に近づかなないと効果がはっきりしないからだ。ｶﾞﾓﾌは光速度が自転車の移動速度ほどに遅くなった(物理定数をいじった)仮想世界を用意し、主人公ﾄﾑｷﾝｽの体験を通じて、日常生活の何気ない行動の中で相対論効果がどのように現れるかを説明している。

但し、ｴﾈﾙｷﾞｰの側面から考えると光速度(m/s)の物理定数が1億分の1程度まで低下した世界では、E=mc^2で得られるｴﾈﾙｷﾞｰが極めて小さいため、太陽も輝かないし、生命誕生も難しい。

ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領

ｱﾒﾘｶ

ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画、始動

※原子爆弾の開発計画

1941年10月、ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領の指示でﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画と呼ばれる核兵器開発の計画が進められる。

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ｲﾀﾘｱ

原子炉の構想

1938年に発見されたｳﾗﾝの核分裂連鎖反応を利用して、核ｴﾈﾙｷﾞｰを取り出す原子炉の基礎理論を構築。連鎖反応の実現のためには核分裂の確率を高める必要があるが、ｳﾗﾝ235の含有比率を高めた濃縮ｳﾗﾝを作る方法(同位体分離方式)と、速度を落とした熱中性子との衝突を効率的に進行させる減速材を用いた方法とが考えられる。

ﾄﾞﾅﾙﾄﾞ･ｶｰｽﾄ

ｱﾒﾘｶ

ﾍﾞｰﾀﾄﾛﾝ

ﾚﾌ･ﾗﾝﾀﾞｳ

ｿ連

液体ﾍﾘｳﾑの超流動の理論

※量子流体の理論

ｴﾄﾞﾚﾝ

太陽ｺﾛﾅの温度測定

ｺﾛﾅ特有の緑色のｽﾍﾟｸﾄﾙ線が鉄原子を数十回電離した鉄ｲｵﾝ由来であることを発見。鉄原子がこれだけの電子を剥ぎ取られた状態となるには100万K以上の温度が必要。

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ｼｶｺﾞ大学

ｲﾀﾘｱ

ｱﾒﾘｶ

原子炉(ｼｶｺﾞ･ﾊﾟｲﾙ1号)稼働

※人類最初の原子の火

核分裂連鎖反応の持続(臨界)

1942年10月にﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画(原子爆弾開発)が始まり、ｼｶｺﾞ大学では最初の原子炉(ｼｶｺﾞ･ﾊﾟｲﾙ1号,CP-1)が組み立てられた。12月2日の午後2時20分、原子炉は臨界に達した。臨界が報告された時、ｱｰｻｰ･ｺﾝﾌﾟﾄﾝはﾊｰﾊﾞｰﾄﾞ大学学長のｺﾅﾝﾄに暗号電話をかけ、「大ﾆｭｰｽだ。ｲﾀﾘｱの航海者がたった今、新大陸に上陸したよ」と伝えた。

核分裂で発生した高速中性子を熱中性子にする減速材には、水が適していた。しかし一方で、熱中性子が陽子(水素ｲｵﾝ)と結合して重水素が作られる反応も同時に進行することが分かり、これが臨界(核分裂連鎖反応の持続)のため必要な中性子の数を無駄に食いつぶす原因となる。そこでﾌｪﾙﾐは別の軽い元素を探し、黒鉛(ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ)を用いた。減速材(黒鉛)とｳﾗﾝ原料を一様に混ぜることはせず、減速材のﾌﾞﾛｯｸの上にｳﾗﾝの塊を積み上げた構造(ﾊﾟｲﾙと呼ばれる)にした。また核分裂連鎖反応の制御には、中性子をよく吸収する性質を持つｶﾄﾞﾐｳﾑ(Cd)の制御棒の抜き差しで行われた。

※CP-1は原子爆弾燃料のﾌﾟﾙﾄﾆｳﾑ239生成用原子炉を設計するための実験炉として作られた。

【臨界のための濃縮ｳﾗﾝと減速材】

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐはｲﾀﾘｱ時代(ｱﾒﾘｶ亡命前)から中性子線照射による人工放射性元素の生成実験や熱中性子の利用など(1934年)、中性子の取り扱いに習熟していた。原子炉の臨界を目指す上で、ﾌｪﾙﾐは減速材により得られる熱中性子を天然ｳﾗﾝ(含有比率99.275％の核分裂しないｳﾗﾝ238を含む)に照射する方法を選んだ。別の有力な手法として同位体分離による濃縮ｳﾗﾝ製造もあるが、こちらは相当の手間とｺｽﾄが掛かるため、この時点では減速材の工夫によって臨界を達成した。

ﾛｹｯﾄｴﾝｼﾞﾝ搭載の弾道ﾐｻｲﾙ

液体燃料ﾛｹｯﾄｴﾝｼﾞﾝを搭載した世界初の弾道ﾐｻｲﾙV2号が完成し、初飛行も成功。

朝永振一郎

超多時間理論

ﾌｧﾝ･ﾃﾞ･ﾌﾙｽﾄ

水素原子の21㎝電波を予言

陽子と電子の磁気作用により、水素原子から21cmの波長の電波が放射されることを理論的に示した。

ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画

ﾄﾘﾆﾃｨ実験(人類最初の核実験)

原子爆弾

核分裂を起こすU235の濃縮とPuの製造に成功したｱﾒﾘｶは、7月16日にﾆｭｰﾒｷｼｺ州ｱﾗﾏｺﾞﾙﾄﾞで原子爆弾の実験(ﾄﾘﾆﾃｨ実験)を実施した。

原子爆弾、投下

ｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾏｸﾐﾗﾝ

ｳﾗｼﾞﾐｰﾙ･ﾍﾞｸｽﾗｰ

ｱﾒﾘｶ

ﾛｼｱ

ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ

ｻﾞﾎﾞｲｽｷｰ

ﾛｼｱ

電子ｽﾋﾟﾝ共鳴法

ｸﾞﾚﾝ･ｼｰﾎﾞｰｸﾞ

拡張型元素周期表

ｳﾞｪﾙﾅｰの長周期型周期表(1905年)を発展させ、新たに発見されたﾗﾝﾀﾉｲﾄﾞとｱｸﾁﾉｲﾄﾞを別枠に設けて配置した拡張型元素周期表を作成した。現在、我々が日常的に目にする元素周期表はｼｰﾎﾞｰｸﾞの周期表である。

ﾌｪﾘｯｸｽ･ﾌﾞﾛｯﾎ

ｴﾄﾞﾜｰﾄﾞ･ﾊﾟｰｾﾙ

ｽｲｽ

ｱﾒﾘｶ

核磁気共鳴法(NMR)

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論(火の玉宇宙論)

ｱﾒﾘｶ陸軍

ﾍﾟﾝｼﾙﾍﾞﾆｱ大学

電子計算機ENIAC(ｴﾆｱｯｸ)の開発

※世界初の汎用ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ

ｱﾒﾘｶ陸軍の委託によりﾍﾟﾝｼﾙﾍﾞﾆｱ大学で開発された初の実用的な汎用電子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ。開発目的は大砲の弾道計算。約1.8万本の真空管を用いた総重量約30tの巨大設備であり、約160㎡の部屋に収められた。

ｳｨﾘｽ･ﾕｰｼﾞｰﾝ･ﾗﾑ

ﾛﾊﾞｰﾄ･ﾚｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾑ=ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの実験

ﾗﾑｼﾌﾄの発見

水素原子のﾏｲｸﾛ波ｽﾍﾟｸﾄﾙ分析(ﾗﾑ=ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの実験)により、ｽﾋﾟﾝを考慮したﾃﾞｨﾗｯｸ方程式でも説明できない僅かなｽﾍﾟｸﾄﾙのｽﾞﾚ(微細構造)を観測した(ﾗﾑｼﾌﾄと呼ぶ)。

ｳｨﾘｽ･ﾕｰｼﾞｰﾝ･ﾗﾑ

ﾎﾟﾘｶﾌﾟ･ｸｯｼｭ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾑｼﾌﾄの精密測定

ﾗﾑとｸｯｼｭは、超短波による核磁気共鳴実験よりﾗﾑｼﾌﾄの精密測定を実施。

ﾗﾑｼﾌﾄの原因を核と電子の相互作用ではなく、電子が自分自身(原子内の別の電子ではない)が周囲に作り出す電磁場からも影響を受け、ｽﾍﾟｸﾄﾙの微細構造を生み出していることを示した。

くりこみ理論

ﾗﾑｼﾌﾄの理論的導出

※量子電磁気学の確立

仮想粒子のために計算上、無限大に発散してしまう電子の質量と電荷に対して、暫定的に有限の観測値に置き換え(これを"くりこみ"と呼ぶ)、超多時間理論(1943年)を適用すると、全ての物理量が有限に収まることが示された。

くりこみ理論と超多時間理論によって、ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式からのｽﾞﾚが指摘されていた電子自身の電磁場の影響による微細構造であったﾗﾑｼﾌﾄの測定結果と、高い精度で合致した。

※同時期に、朝永と同様の成果をｼｭｳｨﾝｶﾞｰとﾌｧｲﾝﾏﾝが独立に提示している。

以上をもって、荷電粒子と電磁場から成る系を扱う量子電磁力学という学問が確立された。

ｳｨﾗｰﾄﾞ･ﾌﾗﾝｸ･ﾘﾋﾞｰ

放射性炭素年代測定法

(14C年代測定法)

炭素の質量数は12であるが、放射性同位体の質量数14の炭素を用いて年代測定を行う方法を提唱。炭素は質量数12が98.9%を占めるが、大気中の窒素に宇宙線が衝突したときの核反応によって生成される炭素14が1.1%の割合で存在する。生物を構成する炭素のうち14Cの比率も常に1.1%であるが、死んでしまうと体内に炭素が取り込まれなくなるため、14Cは少しずつ崩壊し、14Cの含有量が減少する。この14Cは、5730年の半減期で崩壊するため、その含有量からその生物が生きていた時代を推定できる。

ｾｼﾙ･ﾌﾗﾝｸ･ﾊﾟｳｴﾙ

ﾊﾟｲ中間子

※湯川粒子

ﾊﾟｳｴﾙは高速の荷電粒子の飛跡を鮮明に撮影する方法を開発した。写真乳剤での宇宙線の観測で、湯川が予言した中間子(ﾒｿﾝ)の性質を持つ新たな粒子を発見した(現在、これはﾊﾟｲ中間子と呼ばれる)。

※人工的には1948年にｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学の加速器で生成に成功。

中間子は、原子核内の核子(陽子や中性子)の間で働く"強い力"を媒介し、強い結合力を生みだすことで、陽子同士に働くｸｰﾛﾝ力(電気的反発)を抑え込んでいる。

原子核内では不確定性原理に従い、観測できないほどの極めて短時間Δtに中間子が核子間を交換されていると考えられるが(仮想粒子と呼ぶ)、実際に中間子の質量に相当するｴﾈﾙｷﾞｰを外部から注入してやれば、観測可能なほど十分な時間、中間子が具現化しうる。

【ｴﾈﾙｷﾞｰ保存則の破綻の証左?】

ｴﾈﾙｷﾞｰの元手がない場合でも、不確定性原理の制約を満たす短時間であれば真空から必要なｴﾈﾙｷﾞｰを調達しうる。これはごく短時間であれば、ｴﾈﾙｷﾞｰ保存則が破綻しているとも言える。

国際度量衡局

電流の単位(ｱﾝﾍﾟｱ)の再定義

力から電流を定義

電流の単位ｱﾝﾍﾟｱを「真空中に1mの間隔で平行に配置された無限に小さい円形断面積を有する無限に長い2本の直線状導体が想定し、各々に一定の電流を流した時に導体の長さ1mにつき2×10^-7ﾆｭｰﾄﾝ(N)の力を及ぼし合う電流を1ｱﾝﾍﾟｱ」と定義した。これは1820年にｱﾝﾍﾟｰﾙが公開実験した内容で、ｱﾝﾍﾟｰﾙの力を利用した定義である。

電気は溜ることが難しいため、電気量(ｸｰﾛﾝ)よりも電流(ｱﾝﾍﾟｱ)を先立って定義される。単位の観点では、電流(ｱﾝﾍﾟｱ)が最上位であり、電気量(ｸｰﾛﾝ)は導かれる対象として「1ｸｰﾛﾝとは1秒間に1ｱﾝﾍﾟｱの電流によって運ばれる電荷」と定義される。

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ﾗﾙﾌ･ｱﾙﾌｧｰ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

αβγ理論(ｱﾙﾌｧ･ﾍﾞｰﾀ･ｶﾞﾝﾏ理論)

※宇宙初期の原子核合成理論

1930年代以降、中性子(1932年/ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ)の発見、中間子論(湯川秀樹/1935年)、各種の原子核ﾓﾃﾞﾙなど原子核物理学の知見をもとにﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝﾓﾃﾞﾙの議論ができるようになってきた。

αβγ理論は、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝによる宇宙初期の原子核合成の理論である。まず宇宙初期の高温高圧の中性子ｶﾞｽ(過熱した中性の原子核の液体)から陽子と電子が作られる。そして宇宙膨張に伴う温度低下により、残っている中性子と陽子が融合し重水素が作られ、次々と重い原子核が作られていくと考えた。

αβγ理論では重元素まで一気に合成されるとしたが、後に林忠四郎により、宇宙初期にはﾍﾘｳﾑより重い元素は形成されないとし、この指摘を踏まえたものをαβγ林理論(1950年)と呼ぶことがある。

1948 

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論

1948 

ﾍﾙﾏﾝ･ﾎﾞﾝﾃﾞｨ

ﾄﾏｽ･ｺﾞｰﾙﾄﾞ

ﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｲｷﾞﾘｽ

定常宇宙論

ﾙﾒｰﾄﾙによるﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則(1927年)の発見以降、宇宙の膨張は観測事実として認める必要があるが、その膨張によって宇宙の密度が薄まれば物理法則が時間とともに徐々に変化することになる。

定常宇宙論は、完全宇宙原理(場所･時間に関係なく物理法則は常に同じ)に基づく理論であり、宇宙膨張による宇宙の密度減少を避ける理屈として、宇宙は毎年1km^3当たりおよそ水素原子1個が新たに生まれるとした。当初、定常宇宙論がﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論よりも優勢と見られた理由として、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ宇宙論によればﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙ定数が当時の最新の値で250-300km/s/Mpcであり、逆算される宇宙年齢は40億年程度となり、これは地球の年齢よりも若いという矛盾があった。

※新たなﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝの証拠として宇宙背景放射(3K輻射)が発見(1965年)された1960年代になると、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙ定数は100km/s/Mpc弱となり、宇宙年齢は100億年強いまで延びた。

ﾍﾝﾄﾞﾘｯｸ･ｶｼﾐｰﾙ

ﾀﾞｰｸ･ﾎﾟﾙﾀﾞｰ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｶｼﾐｰﾙ効果

真空内に平行に置かれた2枚の金属板の間に、外部から何らｴﾈﾙｷﾞｰを与えずとも引力が働くことを予想(ｶｼﾐｰﾙ効果と呼ぶ)。

ｼﾞｮﾝ･ﾊﾞｰﾃﾞｨｰﾝ

ｳｫﾙﾀｰ･ﾌﾞﾗｯﾃﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

※点接触型ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

米国ﾍﾞﾙ研究所にてﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ(点接触型ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ)が発明される。ｹﾞﾙﾏﾆｳﾑ単結晶に僅かに不純物を混ぜると、真空管と同様に電流の整流・増幅・発振が可能になる。ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀは小型で耐久性に優れ、省電力なため真空管(気体ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ)のいきずまりを破り、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの実用性を高めた。

中華人民共和国、成立

ｹﾞｯﾊﾟｰﾄ･ﾒｲﾔｰ

ﾖﾊﾈｽ･ﾊﾝｽ･ｴﾝｾﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

原子核の殻模型(ｼｪﾙﾓﾃﾞﾙ)

魔法数

ﾚｵ･J.ﾚｲﾝｳｫｰﾀｰ

ｱﾒﾘｶ

核子の非対称性

ﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙ

ｱﾒﾘｶ

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝの命名

定常宇宙論(1948年)の提案者の一人であるﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙは、BBCのﾗｼﾞｵ番組の中で初めてﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝという言葉を使用した。科学史家ﾍﾙｹﾞ･ｸﾗｰｳによれば、これは当時、対立していたﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論に対して悪い意味合いで使われたわけではないとする研究結果を発表している。

1940年代後半から宇宙背景放射が発見(1965年)されるまでの約20年間は、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ宇宙論と定常宇宙論は両方存続していたが、宇宙背景放射の発見以降は、定常宇宙論は静かに衰退し、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝという言葉が多く使われるようになった。

1949

1949

ｱﾒﾘｶ国立標準局

ｲｷﾞﾘｽ国立物理学研究所

ｱﾒﾘｶ

ｲｷﾞﾘｽ

原子時計(ｱﾝﾓﾆｱ型)

原子時計(ｾｼｳﾑ型)

元素合成理論

※αβγ林理論

真空中の光速度の精密測定

(秒速299796±4km)

ﾏｲｹﾙｿﾝは、ﾚｵﾝ･ﾌｰｺｰが1850年に用いた回転鏡による光速度測定の方法を完全なものにし、真空中の光速度の精密測定を行った。この種の測定方法では歴代最高の記録となり、最も有名で偉大な実験とれる。

ﾏｲｹﾙｿﾝは光を35km離れた先に置いた反射鏡(ｶﾘﾌｫﾙﾆｱのｻﾝｱﾝﾄﾆｵ山に設置)へ送り、戻ってくる光を回転する多面鏡(ｶﾘﾌｫﾙﾆｱのｳｨﾙｿﾝ山に設置)に通した。多面鏡は8面、12面、16面などで使用され、回転ｽﾋﾟｰﾄﾞは電気ﾓｰﾀｰで自由に調整された。結果の正確性は実験系の測定距離に依存するため、ｱﾒﾘｶ合衆国の地形測量部は、この実験のために特別にその距離を測定している。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式(波動力学)

3つの量子数

※ｽﾋﾟﾝの概念はないため、微細構造まで記述できない

物質波(ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ/1923年)の形と伝わる様子を記述するｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式を発表。式中に粒子の質量を含み、物質の二面性(粒子かつ波動)を表す。水素原子中の電子のｴﾈﾙｷﾞｰ状態が不連続となるﾎﾞｰｱの量子条件(2πr×mv=nh)となることを示した。この論文は、ﾌﾟﾗﾝｸやｱｲﾝｼｭﾀｲﾝから直ちに絶賛された。

水素原子中の電子のｴﾈﾙｷﾞｰに対しては、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式で完全に解ける。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式の記号ψ(ﾌﾟｻｲ)は物質波(電子1個)を表す波動関数であり、古典物理(音波や電磁波)の波動方程式が実数で表されるのに対して、複素数(a+bi)の波である。電子の性質をうまく説明できる一方で、式中の波動関数ψ(複素数の波)が一体何を意味するのかについては曖昧であった。

【非相対論的波動方程式から相対論的波動方程式へ】

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式には特殊相対性理論の効果を考慮しておらず、光速に近い状態を取り扱う場合、特殊相対性理論の要請を満たす形式に書き直す必要がある。ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ、ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ、ｸﾗｲﾝ、ｺﾞﾙﾄﾞﾝなど多くの理論家がこの難問に取り組んだが、最初にその導出に成功したのは、ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸであった(相対論的波動方程式/1928年)。

波動関数の確率解釈

→❘ψ❘^2は電子の発見確率

※本質的な非決定論の導入

波動関数ψ(電子1個の波動を表す)の絶対値を二乗した❘ψ❘^2は、電子がその位置で(波ではなく)粒子として検出される確率に比例する説(波動関数の確率解釈)をﾎﾞﾙﾝは唱えた。波動関数ψ自体の物理的な描像には言及せず、❘ψ❘^2を求めると実験結果通り、電子の統計的な位置が特定できる実用性を重視した考え方だった。

ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰの波動力学がﾌﾟﾗﾝｸやｱｲﾝｼｭﾀｲﾝから絶賛された一方、ﾎﾞﾙﾝの確率解釈に対してはﾌﾟﾗﾝｸ、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ、ﾄﾞ･ﾌﾞﾛｲ、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰなど錚々たるﾒﾝﾊﾞｰが、決定論ではなく確率論(非決定論)を物理学に持ち込むことに異議を唱えた。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは「神はｻｲｺﾛ遊びを好まない」という有名な言葉で確率解釈を批判している。ここでの神とはｽﾋﾟﾉｻﾞの神であり、あらゆる自然現象を貫き決定する究極的な原理･真理という意味。

※波動関数ψは複素数(a+bi)で表される波であり、その絶対値は(a^2+b^2)^(1/2)。

ﾌｪﾙﾐ=ﾃﾞｨﾗｯｸ統計(ﾌｪﾙﾐ分布関数)

ﾌｪﾙﾐ粒子(ﾌｪﾙﾐｵﾝ)

ﾍﾘｳﾑの固体化

不確定性原理

Δx･Δp≌h

※相補的変数:積がkg･m^2･s-1

→位置と運動量

→時間とｴﾈﾙｷﾞｰ

→質量とm^2/s

→姿勢と角運動量

ﾐｸﾛ世界の運動を表す波動力学(ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式など)によれば、相補的変数とされる一対の物理量(位置と運動量、時間とｴﾈﾙｷﾞｰ)を同時に知る測定精度には、Δx･Δp≌hで示される限界があることを示唆した(不確定性原理と呼ぶ)。※≌はほぼ同じという意味。h(ﾌﾟﾗﾝｸ定数)は6.6×10^-34J･s

相補的変数のﾍﾟｱの積は、ﾌﾟﾗﾝｸ定数hと同じかそれ以上になること、逆に言えば、hより小さくしたり、ましてはｾﾞﾛにはできないことを意味する。

相補的変数となるのは、物理量の積がkg･m^2･s-1(角運動量の単位だが…)となるもので、位置(m)と運動量(kg･m･s-1)や、時間(s)とｴﾈﾙｷﾞｰ(kg･m^2･s-2)が挙げられる。

【位置と運動量の不確定性】

大きさがない点と見なされる電子の位置xを厳密に特定するには、相応の波長を持つｶﾞﾝﾏ線を照射しなければならない。光は波長に対応した分解能を持つからだ。しかし波長を短くすれば光の運動量は大きくなり、波動性よりも粒子性が顕著に表れ出す。ｶﾞﾝﾏ線を照射された電子はその位置情報は正確に測れる(Δx→0)が、照射されるｶﾞﾝﾏ線の運動量が大きいため、もともと電子が持っていた運動量の情報がﾎﾞｹてしまう(Δp→∞)。逆に運動量の低いX線を使うと電子の運動量はより厳密に測定できる(Δp→0)が、波長が長く分解能が低いため、電子の位置情報がﾎﾞﾔけてしまう(Δx→∞)。位置と運動量の両者の積の統計的な誤差は、ﾌﾟﾗﾝｸ定数hほどにはどうしても生じてしまう。但し、相補的変数に該当しない物理量ﾍﾟｱに関しては、不確定性原理の適用外なので同時に正確に求められる。

測定に際して、相補的変数である位置と運動量は同時にある値として得られる。しかし測定を何度も繰り返してﾃﾞｰﾀを蓄積すると、統計的なﾌﾞﾚとして不確定性原理が現われる。いずれか一方の測定誤差を犠牲にすれば、他方はいくらでも正確に再現性ある値として得ることが可能。

【時間とｴﾈﾙｷﾞｰの不確定性】

位置と運動量のﾍﾟｱが相補的変数であったように、ｴﾈﾙｷﾞｰと時間もそうである。電子に照射する光の振動数ν(1/s)を測定すると、時間tをかけるほど振動回数が増えるので正確な振動数の値が求められる。反対に短時間Δtの観測では、1回の振動すら終わらないかもしれず、振動数が曖昧となる。振動数と時間の間にはΔν･Δt≌1という不確定性原理が成り立つ。ここで光子のｴﾈﾙｷﾞｰは、E=hνなので式変換すると、ΔE･Δt≌hが導かれる。こうした不確定性を持つ光子を使い、電子のｴﾈﾙｷﾞｰと測定時間を厳密に同時に求めようとしても同じくΔE･Δt≌hが課せられる。測定時間を短くするほど(Δt→0)、得られるｴﾈﾙｷﾞｰの値は再現性がなくなり、統計的な振れ幅は大きくなる(ΔE→∞)。

【質量とm^2/sの不確定性】

位置、時間と来たら残るは質量に関する不確定性であるが、その場合、相補的変数の単位はm^2/sとなる。

【不確定性原理と二重性】

当初、不確定性原理は観測ﾃｸﾆｯｸの話から導入されたように感じるが、それが観測ﾃｸﾆｯｸを磨けば解決できるという次元ではなく、ﾐｸﾛ世界の本質的な性質と考え始められるのは、粒子性と波動性を同時に持つという二重性であろう。光については光電効果の理論的説明(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ/1905年)に既に二重性は考えられたが、電子においては電子線回折の発見(ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝとｶﾞｰﾏｰ/1927年)によりその波動性が実証された。

波動力学(ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式)からの不確定性原理の説明は以下の通り。電子の波動関数を正弦波に分解(ﾌｰﾘｴ変換)すると、粒子として検出される(波動関数がﾋﾟｰｸ形状)とは無数の(波長の異なる)正弦波の合成となる。正弦波の波長が電子の取りうる速度(→運動量)に対応し、粒子としてある位置に存在することが確認できる場合、その速度(→運動量)にはﾊﾞﾗﾂｷを持つことを要請する。一方で、波動関数がたった一つの正弦波で表される場合、空間上に存在確率が広がった状態で粒子としてどこか一ヵ所に特定できないが、電子の速度(→運動量)は決定できる。

ﾎﾞｰｱ研究所

(ﾎﾞｰｱの弟子達)

ｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈

※量子論の主流の考え方

重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)

「波の収縮」と「確率解釈」を2本柱として、ﾎﾞｰｱ研究所の若い物理学者達(ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ、ﾊﾟｳﾘ、ﾃﾞｨﾗｯｸなど)が提唱した、我々が観測する前の電子と観測後の電子の様子を理解するための次のように解釈した。観測される前の電子は様々な位置にいる状態が「重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)」になっているが、我々が電子を観測した途端に「波の収縮」が起きて電子は一ヵ所で発見される(ｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈)。

「波の収縮」とは、我々が電子の存在を観測する際には、常に(波ではなく)粒子である事実に基づき、観測前に空間的に広がった発見確率の波紋が、観測時にその一点に全確率(100%)が収縮することを意味する。観測以前の電子の存在確率が空間に広がった状態は、電子が「重ね合わせ(ｽｰﾊﾟｰﾎﾟｼﾞｼｮﾝ)」の状態にあると表現する。実際に電子がどの位置に観測されやすいかは、波動関数の「確率解釈」(ﾎﾞﾙﾝ/1926年)を用いる。

【決定論を重視するｱｲﾝｼｭﾀｲﾝによる批判】

量子論の曖昧さを自然界の本質的な原理だとして、確率解釈(ﾎﾞﾙﾝ/1926年)や不確定性原理(ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ/1927年)を認めるｺﾍﾟﾝﾊｰｹﾞﾝ解釈に対して、従来通りの決定論を重んじるｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは『神はｻｲｺﾛ遊びを好まない』と言って批判し、曖昧さを取り除く隠れた変数の存在を主張し、量子論はまだ不完全な理論であるとした。その反論の一つとしてEPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ(1935年)がある。

ｸﾘﾝﾄﾝ･J.ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ

ﾚｽﾀｰ･H.ｶﾞｰﾏｰ

G.P.ﾄﾑｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ=ｶﾞｰﾏｰの実験

電子線の回折

※電子の波動性を実証

ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝとｶﾞｰﾏｰは、X線の回折現象と同様に電子線をNi単結晶に照射すると特有の回折模様(電子線回折)が得られた(ﾃﾞｲｳﾞｨｿﾝ=ｶﾞｰﾏｰの実験)。同時期にJ.J.ﾄﾑｿﾝの息子であるG.P.ﾄﾑｿﾝは独立で、電子線を金属箔に通すことで電子線の回折模様(ﾃﾞﾊﾞｲ・ｼｪﾗｰ環)を得て、同じく電子の波動性を実証した。

ﾄﾞ・ﾌﾞﾛｲの物質波の発表(1923年)以降、電子を"粒子"でなく"波"と考えて原子内電子の在り様を量子力学として構築してきたわけであるが、電子の波動性が理論構築上･計算上の単なるﾃｸﾆｯｸのために必要とされるわけではなく、実際に電子が波であることを裏付ける実験的証拠が得られたと言える。

余談であるが、陰極線の正体を質量を持つ電子だと解明したJ.J.ﾄﾑｿﾝ(1897年)は、電子の粒子性の側面からﾉｰﾍﾞﾙ賞(1906年)を受賞した一方、その息子のG.P.ﾄﾑｿﾝは電子線回折により電子の波動性を証明してﾉｰﾍﾞﾙ賞(1937年)を受賞した。

※電子の波動性と粒子性を確かめる二重ｽﾘｯﾄ実験は、しばらく思考実験であったが、複数電子では1961年(ｸﾗｳｽ･ｲｪﾝｿﾝ)に、単電子では1974年(ﾋﾟｴｰﾙ･ｼﾞｮﾙｼﾞｮ･ﾒﾙﾘ)により行われる。また1999年にはより大きな分子量を持つﾌﾗｰﾚﾝを用いた二重ｽﾘｯﾄ実験がｱﾝﾄﾝ･ﾂｧｲﾘﾝｶﾞｰにより実施されている。

ﾌﾘｰﾄﾞﾘｯﾋ･ﾌﾝﾄ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾝﾈﾙ効果

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾊｲﾄﾗｰ

ﾌﾘｯﾂ･ﾛﾝﾄﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

水素共有結合の量子論

(ﾊｲﾄﾗｰ=ﾛﾝﾄﾞﾝの理論)

ｼｼﾞｳｨｯｸ

配位結合理論

ｳｨﾚﾑ･ｹｰｿﾝ

ｵﾗﾝﾀﾞ

液体ﾍﾘｳﾑII

ﾆｰﾙｽ･ﾎﾞｰｱ

ﾃﾞﾝﾏｰｸ

相補性原理

ｼﾞｮﾙｼﾞｭ･ﾙﾒｰﾄﾙ

ﾍﾞﾙｷﾞｰ

原始的原子説

※ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論の雛形

ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則

ﾊｯﾌﾞﾙ定数

観測ﾃﾞｰﾀによる宇宙膨張の発見

天文学者ﾙﾒｰﾄﾙは赤方偏移(1912年)を発見したｳﾞｪｽﾄ･ｽﾗｲﾌｧｰと、距離測定の専門家でありｱﾝﾄﾞﾛﾒﾀﾞが系外銀河であること確認(1924年)したｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾊｯﾌﾞﾙの観測ﾃﾞｰﾀに基づいて宇宙膨張論を独自に提唱した。理論的にはﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝが一般相対性理論の解として既に宇宙膨張ﾓﾃﾞﾙ(ﾌﾘｰﾄﾞﾏﾝ宇宙)を提唱(1922年)しており、理論を観測

により裏付けたことになる。

ﾙﾒｰﾄﾙが使用した41個の遠方銀河の後退速度ﾃﾞｰﾀはｽﾗｲﾌｧｰの1922年のものを使用し、距離の測定ﾃﾞｰﾀは1926年にﾊｯﾌﾞﾙが出版した値を使用した。ﾙﾒｰﾄﾙが観測に基づき始めて世界で初めて計算したﾊｯﾌﾞﾙ定数は、625km/s/Mpcと575km/sMpcの2通りの前提で提示された。これは現在の最良値である約70km/s/Mpcと比べると8～9倍大きいが、当時の限られたﾃﾞｰﾀと距離の決定方法による。

ﾙﾒｰﾄﾙは、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則(宇宙膨張ﾓﾃﾞﾙ)をもとに宇宙は原始的原子(Primeval Atom)(または宇宙の卵)と呼ぶ一点から爆発して膨張したというﾓﾃﾞﾙを提唱した。余談であるが、ﾙﾒｰﾄﾙはｷﾘｽﾄ教の司祭でもあったので、聖書の通り宇宙に始まりがあるとすることは、宗教上の考えとも一致していると考えたのかもしれない。

ただ原子核物理学が発展するのは1930年代に入ってからであり、ﾙﾒｰﾄﾙの考えが受け入れられるには尚早であった。後にこの仮説は、批判する人々によってﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論と呼ばれるようになる。

ﾊｰﾏﾝ･ﾏﾗｰ

ｱﾒﾘｶ

X線照射による人為突然変異

ﾏﾗｰはX線をｼｮｳｼﾞｮｳﾊﾞｴに照射する実験を行い、人為的に突然変異を起こすことを発見した。ｼｮｳｼﾞｮｳﾊﾞｴを用いたのはﾏﾗｰがﾓｰｶﾞﾝの研究室にいたため。自然突然変異は確率が低いため、ﾏﾗｰの発見は遺伝学の研究に大きな貢献となった。

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式

(相対論的波動(電子)方程式)

①高速電子にも対応

②ｽﾋﾟﾝの導入

⇒微細構造の記述

③負のｴﾈﾙｷﾞｰ準位

⇒反粒子の予言へ

※量子電磁力学のはしり

ﾃﾞｨﾗｯｸは、原子内の静止電子だけでなく高速で運動する電子における相対論効果を導入するべく、特殊相対性理論(1905年)をｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式(1926年)に組み入れてﾃﾞｨﾗｯｸ方程式(相対論的波動方程式)を発表した。

①高速運動の記述 ※特殊相対論効果の反映

②ｽﾋﾟﾝの導入

光のｽﾍﾟｸﾄﾙ分析より存在が知られていたｽﾋﾟﾝは、ｼｭﾚﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式にはなかった電子固有の物理量であるｽﾋﾟﾝの性質も自動的に内包された。これによりｽﾋﾟﾝ-軌道相互作用に由来する分光ｽﾍﾟｸﾄﾙのｴﾈﾙｷﾞｰ差(微細構造と呼ぶ)をも正しく記述できるようになる。

※後にﾃﾞｨﾗｯｸ方程式でも表せないﾗﾑｼﾌﾄという微細構造が指摘される(1947年)。

③負の電子ｴﾈﾙｷﾞｰ準位の存在 ※ 反粒子の存在

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式から電子のｴﾈﾙｷﾞｰを求めると、その範囲は正の方向に無限大のみならず、負の方向にも無限大となった。

･正に無限大とは、正の静止電子Eを下限として運動Eに応じてEは正に無限大

･負に無限大とは、負の静止電子Eを上限として運動Eに応じてEは負に無限大

素直に解釈すれば、電子はより安定なﾏｲﾅｽ無限大のｴﾈﾙｷﾞｰ状態へ落ち込み、その過程で光を放出し続けると考えられる。しかしそれは実測結果とは相反する。この部分の解釈については、ﾃﾞｨﾗｯｸは空孔理論(1930年)として別途発表される。

【なぜ実測可能な電子は静止E(+m0c^2)が下限なのか】

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式登場以前は、そもそも電子が取りうるそれより低いｴﾈﾙｷﾞｰ準位が存在しないからだった。ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式により電子の負のｴﾈﾙｷﾞｰ順位が示され、そこに実測可能な電子が落ち込まない理由は、既に負のｴﾈﾙｷﾞｰ領域に電子が満たされ、排他原理(同じｴﾈﾙｷﾞｰ状態をとれないﾌｪﾙﾐ粒子の統計)に従うためだと解釈される。水面に浮かんだ木の葉のような存在が実測可能な正のｴﾈﾙｷﾞｰの世界で飛び交う電子のようだ。

超伝導で見られる電子ｸｰﾊﾟｰ対のようなﾎﾞｰｽ粒子と化した環境では、負のｴﾈﾙｷﾞｰ領域の電子と状態を重ねることはできるのだろうか。

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

光の量子論

ｱﾙﾌｧ崩壊の理論

ﾄﾝﾈﾙ効果

原子核がｱﾙﾌｧ粒子を放出する理論を構築。原子核内のｱﾙﾌｧ粒子(陽子2個＋中性子2個)が、ﾄﾝﾈﾙ効果によりｸｰﾛﾝ力の障壁(噴火山型のﾎﾟﾃﾝｼｬﾙ･ｴﾈﾙｷﾞｰ)から浸み出すため、原子核から放出されることを示した。これとは逆の反応として、ﾄﾝﾈﾙ効果により原子核がｱﾙﾌｧ粒子を捕獲する(ｱﾙﾌｧ捕獲?)ことも示し、原子核同士が融合(核融合)する可能性を示した。

強磁性体の理論

金属電子の量子論

ｴﾈﾙｷﾞｰﾊﾞﾝﾄﾞ

金属の自由電子論

ｱｰｳﾞｨﾝｸﾞ･ﾗﾝｸﾞﾐｭｱ

ｱﾒﾘｶ

ﾌﾟﾗｽﾞﾏの命名

探針(ﾌﾟﾛｰﾌﾞ)

放電管のｶﾞﾗｽ容器内に電圧をかけると美しい色を放ちながら不思議な運動をする気体の様子を見てﾌﾟﾗｽﾞﾏと命名した。ﾌﾟﾗｽﾞﾏを計測する手段として探針(ﾌﾟﾛｰﾌﾞ)を開発し、ﾗﾝｸﾞﾐｭｱ･ﾌﾟﾛｰﾌﾞと呼ばれる。

ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ･ﾗﾏﾝ

ｲﾝﾄﾞ

ﾗﾏﾝ効果

※可視光における光の粒子性

X線における粒子性を示すｺﾝﾌﾟﾄﾝ効果と同様に、可視光での粒子性の観測を行った。単色光を物質に当て、反射光を調べると入射光とは異なる振動数が混じることを観測。可視光では分子状態の変化に応じた量子ｴﾈﾙｷﾞｰ授受が起きている。

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ｴﾝﾄﾛﾋﾟｰの情報理論

1929

W.ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ

ｳﾞｫﾙﾌｶﾞﾝｸﾞ・ﾊﾟｳﾘ

ﾄﾞｲﾂ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

相対論的場の量子論

(量子電磁力学)

1929

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾄﾞｲﾂ

統一場の理論

1929

ｵｽｶﾙ･ｸﾗｲﾝ

仁科芳雄

ｽｳｪｰﾃﾞﾝ

日本

ｸﾗｲﾝ=仁科の式

※ｺﾝﾌﾟﾄﾝ散乱の理論

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾏｸｽｳｪﾙの悪魔の否定

分子の状態を知るためには仕事が必要だから、仕事することなしに分子を峻別できず、ｴﾝﾄﾛﾋﾟｰを下げられない…と説明。情報価値とｴﾝﾄﾛﾋﾟｰと結び付けた。

ｴﾄﾞｳｨﾝ･P.ﾊｯﾌﾞﾙ

論文『系外銀河の速度と距離の関係』

ﾊｯﾌﾞﾙの法則

※2018年にﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則

に名称変更

ﾊｯﾌﾞﾙ定数

宇宙膨張の確認

最大距離2Mpc(約752万光年)の範囲にある数十個の銀河の距離と、その赤方偏移をもとに計算される後退速度から、ﾙﾒｰﾄﾙに続き、距離と後退速度の比例関係(ﾊｯﾌﾞﾙの法則)があることを発表した。

※1Mpc(ﾒｶﾞﾊﾟｰｾｸは概ね銀河間の距離に相当し、参考として天の川銀河とｱﾝﾄﾞﾛﾒﾀﾞ銀河までの距離は約220万光年(=0.67Mpc)である。

ﾊｯﾌﾞﾙの法則の発見(もしくは確認)により、宇宙はあらゆる方向に一様に膨張していることが示された。論文で提示されたﾊｯﾌﾞﾙ定数は530km/s/Mpcであり、2年前(1927年)にﾙﾒｰﾄﾙが提示したﾊｯﾌﾞﾙ定数と大差はなかった。

※なお1931年にはﾊｯﾌﾞﾙとﾋｭｰﾒｲｿﾝが共同で観測する最大距離を30Mpcまで遠方に延ばして計算し、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則をより確実なものとした。

【静的宇宙像から動的宇宙像へ】

天動説が常識の古代から一般相対性理論を完成させたｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ(1910年代)に至るまで、世間の宇宙観は静的なものであった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝでさえも宇宙は静的であると信じており、宇宙は重力によっていずれ一点に潰れてしまうのではないか、という問題意識があった。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは信念に基づいて宇宙が静的に存在するよう、自身の重力場方程式に斥力を働かせる宇宙項を導入している。しかしﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの発見により宇宙は動的なものであることが観測的に実証され、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは導入した宇宙項を放棄することにした。

※さらに1998年には宇宙の膨張が、加速膨張であることが発見される。

【恒星の距離を測る方法】

星の光の強さは、星自体の輝き(絶対光度)と、星との距離に依存する。見かけ上の星の明るさだけでは距離は測れない。星の距離を測るために、ﾊｯﾌﾞﾙはｾﾌｧｲﾄﾞ型変光星を目印にした。変光星(ﾌｧﾌﾞﾘﾂｨｳｽ/1596年に発見)とは明るさが周期的に変化する星であり、特にｾﾌｧｲﾄﾞ型変光星では絶対光度と変光周期の間に相関がある。つまり変光周期が長いほど絶対光度が大きい。ﾊｯﾌﾞﾙは変光星の見かけの光度と推定される絶対光度から、その変光星を含む銀河の距離を算定した。そして各銀河の後退速度はｽﾍﾟｸﾄﾙの赤方偏移として得られ、両者(距離と赤方偏移の程度)を比較した。

ｽｺﾍﾞﾙﾁﾝ

宇宙線ｼｬﾜｰ(空気ｼｬﾜｰ)

ﾎﾟｰﾙ･ﾃﾞｨﾗｯｸ

空孔理論 (ﾃﾞｨﾗｯｸの海)

⇒真空の描像
反粒子(陽電子)の予言

⇒電子対生成

ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式(1928年発表)では、電子のｴﾈﾙｷﾞｰは正領域のみらず、負領域も取りえた。実測ﾃﾞｰﾀと相反するこの理論的結果の解釈のため、空孔理論を提唱。

ﾃﾞｨﾗｯｸはﾊﾟｳﾘの排他原理(1925年/ﾊﾟｳﾘ)に従い、真空中には負のｴﾈﾙｷﾞｰ状態の電子で埋め尽くされていると考えた。

【真空から電子を叩き出す】

真空に充満するとされる負の電子を我々は感じられない(観測できない)。真空中に正のｴﾈﾙｷﾞｰを注入することで、我々が観測できる正のｴﾈﾙｷﾞｰ準位の世界に負の電子を引っ張り上げることは可能。具体的にはｶﾞﾝﾏ線など強いｴﾈﾙｷﾞｰを真空中に放つと(観測不能な)"負ｴﾈﾙｷﾞｰの電子"が、観測可能な"正ｴﾈﾙｷﾞｰの電子"として現れ、同時に抜けた穴(空孔)は"正のｴﾈﾙｷﾞｰの反電子"として振る舞うと予言した(電子対生成と呼ぶ)。必要なｶﾞﾝﾏ線のｴﾈﾙｷﾞｰ下限は、正と負の静止ｴﾈﾙｷﾞｰ･ｷﾞｬｯﾌﾟに相当する2m0c^2で約1000keV。負ｴﾈﾙｷﾞｰ領域から引っ張り上げて普通の電子として観測されると同時に、負ｴﾈﾙｷﾞｰ領域には抜けた空席が生じる。電荷保存則のため、生じる電子の空孔はﾌﾟﾗｽの電荷を持つ電子(⇒陽電子もしくは反電子)となる。

※反電子はｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝにより1932年に宇宙線観測の中で発見される。

※反陽子はｾｸﾞﾚとﾁｪﾝﾊﾞﾚﾝにより1955年に加速器ﾍﾊﾞﾄﾛﾝの中で発見される。

ｸﾗｲﾄﾞ･ﾄﾝﾎﾞｰ

ﾊﾟｰｼｳﾞｧﾙ･ﾛｰｴﾙが摂動論により予言した冥王星をｸﾗｲﾄﾞ･ﾄﾝﾎﾞｰが発見した。冥王星の記号♇ は、予言者ﾊﾟｰｼｳﾞｧﾙ･ﾛｰｴﾙの頭文字の組み合わせものである。

※冥王星は2006年に準惑星に降格。

S.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ

ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量

※白色矮星の質量上限値

星は終末期に入った時、一定の条件が揃うと白色矮星(青白い光を放つ地球程度の小さい星)になるが、その質量には上限値(ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量)があることを発見。

※S.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙの叔父は、ﾗﾏﾝ効果(1928年)を発見したﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ･ﾗﾏﾝである。

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾎﾞｰﾃ

ﾊｰﾊﾞｰﾄ･ﾍﾞｯｶｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線

※極めて透過力の大きい放射線

※後に中性子線だと判明

※中性子線源(α線源+Be)

α線をBe(ﾍﾞﾘﾘｳﾑ)に当てると、極めて透過力の高い放射線が叩き出されることを発見し、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線と名付けた。両者はその透過力の大きさからγ線(ｶﾞﾝﾏ線)ではないか…と推測した。

※後にﾍﾞﾘﾘｳﾑ線は中性子線であることが明らかとなるが、しばらく中性子線を得る線源として、ﾗｼﾞｳﾑとﾍﾞﾘﾘｳﾑの混ぜ物が利用される。つまり、α線源のﾗｼﾞｳﾑから発生するα線がﾍﾞﾘﾘｳﾑに衝突して中性子(ここではﾍﾞﾘﾘｳﾑ線)を放出する。

【ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻による確認実験：中性子の発見を逃す】

ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線の発見に注目したｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻(夫のﾌﾚﾃﾞﾘｯｸ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰと妻のｲﾚｰﾇ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ)は、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線をﾊﾟﾗﾌｨﾝなどの水素を含む物質に照射し、そこから沢山の陽子が勢いよく飛び出すことを確認した。ﾎﾞｰﾃとﾍﾞｯｶｰの推測に基づく先入観に引きずられてか、夫妻もｶﾞﾝﾏ線によって陽子が弾き出されているのだろう…と解釈した。

ｱｰﾈｽﾄ･ﾛｰﾚﾝｽ

ﾘﾋﾞﾝｸﾞｽﾄﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｻｲｸﾛﾄﾛﾝ

静磁場と交流電場による加速器

※加速器の大型化の始まり

ﾛｰﾚﾝｽはﾄﾞｲﾂのｳｨﾄﾞﾚｰの論文をﾋﾝﾄにし、静磁場と交流電場(高周波電場)を用いて荷電粒子を螺旋状に加速させる加速器(ｻｲｸﾛﾄﾛﾝ)を開発。電磁石による静磁場はﾌﾚﾐﾝｸﾞの左手の法則に従い、荷電粒子の軌道を曲げて円運動にし、その進行方向に合わせて常に加速できるように高周波電場を掛ける。ｻｲｸﾛﾄﾛﾝでは、加速される荷電粒子の円軌道は(静磁場が一定のため)次第に大きくなり螺旋を描くため、限られた空間で繰り返し加速でき、(同程度の大きさの)直線加速器に比べて大きなｴﾈﾙｷﾞｰを付加できる。

ｳﾞｫﾙﾌｶﾞﾝｸﾞ･ﾊﾟｳﾘ

ｵｰｽﾄﾘｱ

=ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾆｭｰﾄﾘﾉ仮説

※ﾍﾞｰﾀ崩壊の説明

ﾍﾞｰﾀ崩壊の前後で保存則が成立していないのでは…という問題があった。ﾊﾟｳﾘはﾍﾞｰﾀ崩壊におけるｴﾈﾙｷﾞｰ保存則と角運動量保存則が成立するように中性の粒子(ﾆｭｰﾄﾘﾉ,中性微子)の存在を仮定した。

ｴﾄﾞｳｨﾝ･P.ﾊｯﾌﾞﾙ

ﾐﾙﾄﾝ･ﾗｾﾙ･ﾋｭｰﾒｲｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則の検証

※最大距離を30Mpcまで延長

ﾊｯﾌﾞﾙとﾋｭｰﾒｲｿﾝは、観測対象とする銀河の距離を2Mpcから30Mpcまで拡大し、1929年のﾊｯﾌﾞﾙの論文発表時よりもｻﾝﾌﾟﾙ(銀河数)を41個増やした。

その結果、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則が確実に成立することを確認できた。

ﾏｯｸｽ･ｸﾉｰﾙ

ｴﾙﾝｽﾄ･ﾙｽｶ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾍﾞﾙﾘﾝ工科大学のｸﾉｰﾙとﾙｽｶは最初の電子顕微鏡(透過型電子顕微鏡)を開発した。光学顕微鏡ではｳｲﾙｽの観察はできなかったが、電子顕微鏡では電子線の持つ運動ｴﾈﾙｷﾞｰに対応する波長が可視光線より短くでき、光学顕微鏡の1000倍以上の微細な対象を観察できるようになった。

※基本的に、顕微鏡の分解能は用いる光源(電子顕微鏡の場合は電子線)の波長と同程度となる。池に石を投げたら石と同程度の大きさの波長の波紋が広がり、その波紋に干渉する(新たに波紋が発生する)のは同程度の大きさの構造物に対してである。波長が大きく異なる場合には、単にその構造物を透過するだけで干渉しない。

ﾊﾛﾙﾄﾞ･A.ｳｨﾙｿﾝ

ｲｷﾞﾘｽ

半導体理論

※半導体の始まり

ｶｰﾙ･ｼﾞｬﾝｽｷｰ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾙｽ･ｵﾝｻｰｶﾞｰ

ｱﾒﾘｶ

ｼﾞｪｰﾑｽﾞ･ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸ

ｲｷﾞﾘｽ

中性子

※ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線の正体を解明

ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞとﾁｬﾄﾞｳｨｯｸは、ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻によるﾍﾞﾘﾘｳﾑ線のﾊﾟﾗﾌｨﾝへの照射実験の報告(1932年)を聞き、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線をｶﾞﾝﾏ線だとする解釈に違和感を抱いた。確かに光電効果のように光が電子のような軽い物質を弾き飛ばす現象は知られているものの、陽子のような質量の大きい物体(電子の2000倍)を光が弾き飛ばせるのだろうか…と。1920年には既に中性の粒子の存在を予想していたﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞには、高い透過力と陽子を弾き飛ばす質量を兼ね備えたﾍﾞﾘﾘｳﾑ線にﾋﾟﾝとくるものがあったと思われる。

ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸは、ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線(α線をﾍﾞﾘﾘｳﾑに照射して得る)を様々な物質に照射し、そこから叩き出されてくる陽子以外の原子核の反跳も測定した結果、それは陽子とほぼ等しい質量を持つ電気的に中性な粒子(中性子)であることを突き止めた。

※以上より、原子核の構成要素である陽子と中性子が明らかになり、原子核の中身について語れる材料が出揃った。

ｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

陽電子(反電子)

電子対生成

磁場をかけた霧箱(1911年)で宇宙線を観測する中、正負一対で出現する荷電粒子の存在に気が付いた。当初は正電荷と言えば陽子であったが、この正電荷は電子と同じ質量を持つため陽電子(ﾎﾟｼﾞﾄﾛﾝ)と名付けた。これはﾃﾞｨﾗｯｸがﾃﾞｨﾗｯｸ方程式の解として予言した反電子(反粒子)の発見である。

なお真空中に突如として出現する電子と陽電子の電子対(電子対生成と呼ぶ)は、宇宙線(γ線)を元手に、そのｴﾈﾙｷﾞｰ(E=mc^2で計算される電子質量2個分の約1024keV)と運動量を保存する形式で起きている。

ﾊﾛﾙﾄﾞ･ﾕｰﾘｰ

ｱﾒﾘｶ

重水素

水素のｽﾍﾟｸﾄﾙ線の位置が僅かにｽﾞﾚることから、水素の同位体(重水素)を発見。

ﾄﾞﾐﾄﾘｰ･ｲﾜﾈﾝｺ

ｿ連

原子核の構造理論

ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸによる中性子の発見を受けて、原子核の中には陽子と中性子のみが含まれ、そこに電子は存在しないとする説を提唱。

ｳﾞｪﾙﾅｰ･ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞ

ﾄﾞｲﾂ

書物『原子核構造論』

原子核の構造理論

ﾄﾞﾐﾄﾘｰ･ｲﾜﾈﾝｺの説を支持する形で、ﾊｲｾﾞﾝﾍﾞﾙｸﾞは原子核が陽子と中性子から構成されると考えると矛盾なく説明できると発表した。原子核内の陽子と中性子を安定的に結び付けている力は何か?といった課題も浮き彫りとなる。

※この課題意識は、後に湯川秀樹による中間子論の発表につながる。

C.ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ

ﾊﾟｷｽﾀﾝ

ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの発生ﾌﾟﾛｾｽ

星は終末期において、ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙ限界質量を超えると重力崩壊を起こし、白色矮星ではなくﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙとなる可能性を示唆。

※光さえ脱出できないﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念は一般相対性理論が公開された1915年と同年にｶｰﾙ･ｼｭﾊﾞﾙﾂｼﾙﾄによって理論的に導出されたが、ﾁｬﾝﾄﾞﾗｾｶｰﾙは具体的な発生ﾌﾟﾛｾｽの説明を与えたと言える。

ｼﾞｮﾝ･ｺｯｸｸﾛﾌﾄ

ｱｰﾈｽﾄ･ｳｫﾙﾄﾝ

ｲｷﾞﾘｽ

ｱｲﾙﾗﾝﾄﾞ

ｺｯｸｸﾛﾌﾄ･ｳｫﾙﾄﾝ型加速器

高電圧加速装置で人工的な原子核変換

人工的な原子核反応を引き起こせるほどの高ｴﾈﾙｷﾞｰの荷電粒子を得る加速器を初めて製作。この加速器では、交流を直流高圧に変換する電圧増幅回路(ｺｯｸｸﾛﾌﾄ・ｳｫﾙﾄﾝ回路)により0.5MeV程度の高電圧を作り、陽子加速試験でLi(原子番号3)からHe(原子番号2)の製造に成功した。Raなどの天然の放射線源に頼らない世界初の人工原子核反応である。なお加速させる陽子は、水素ｶﾞｽを高圧放電で電離させて得る。

※静電場を利用した直線加速器(ｺｯｸｸﾛﾌﾄ・ｳｫﾙﾄﾝ型加速器、ﾊﾞﾝﾃﾞｸﾞﾗｰﾌ型加速器)で高ｴﾈﾙｷﾞｰ荷電粒子を得るには絶縁耐性の観点で限界があった。

ﾌｫﾝ･ﾉｲﾏﾝ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

書物『量子力学の数学的基礎』

ｼｭﾚｰﾃﾞｨﾝｶﾞｰ方程式は波の収縮を説明できない

ﾗｲﾅｽ･ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ

ﾗｲﾅｽ･ﾎﾟｰﾘﾝｸﾞ

炭素原子の電子構造

混成軌道の概念

ｳﾞｧﾙﾀｰ･ﾏｲｽﾅｰ

ﾛｰﾍﾞﾙﾄ･ｵｸｾﾝﾌｪﾙﾄ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ﾍﾞｰﾀ崩壊の理論

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ｵｰｽﾄﾘｱ=

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

中性子による核連鎖反応の構想

ﾌﾘｯﾂ･ﾂﾋﾞｯｷｰ

ｳｨﾙﾀｰ･ﾊﾞｰﾃﾞ

ｽｲｽ

ﾄﾞｲﾂ

中性子星ﾓﾃﾞﾙ

ｿﾞﾝﾏｰﾌｪﾙﾄ

ﾍﾞｰﾃ

書物『固体電理論』

ﾋﾄﾗｰ政権の誕生。

【ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝのｱﾒﾘｶ亡命】

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは当年にｱﾒﾘｶに亡命し、1955年に亡くなるまで再びﾄﾞｲﾂの地を踏むことはなかった。

J.F.ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ

ｲﾚｰﾇ･ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ

※ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻

ﾌﾗﾝｽ

ﾌﾗﾝｽ

α線による軽元素の核変換

※人工的な放射性元素の生成

ｼﾞｮﾘｵ･ｷｭﾘｰ夫妻はPo(ﾎﾟﾛﾆｳﾑ)由来のα線を放射能のない軽元素(BやAl)に照射させて、人工的に放射性元素(自然界には存在しないﾘﾝ(P)の放射性同位元素)が得られることを発見した。

放射能のないｱﾙﾐﾆｳﾑ(Al)にα線を当てると、α粒子が取り込まれﾘﾝ(P)と中性子と陽電子(1932年にｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝにより宇宙線の中で発見)が生まれる。ここで新たに発生したPが自然界にない放射性同位体元素(安定同位体より中性子が1個少ない)であり、放射能を帯びる。

中性子線による重元素の核変換

※超ｳﾗﾝ元素生成の可能性

低速中性子(熱中性子)の生成

ｼﾞｮﾘｵ・ｷｭﾘｰ夫妻のα線による人工放射能の実験を知り、中性子線を使ってみようと考えた。α線の場合、正電荷のために原子核から電気的反発が大きく、核変換を誘発できるのは比較的軽い元素に限定されていた。一方、中性子線を使えば、重元素の原子核に対しても電気的反発なく核変換を誘発できると考えた。

ﾌｪﾙﾐは中性子線源(ﾗｼﾞｳﾑとﾍﾞﾘﾘｳﾑの混ぜ物)から放射される中性子線(ﾍﾞﾘﾘｳﾑ線)を60種余りの元素に照射して、約40種の放射性元素を生成した。期待通り、中性子線の方が核反応効率が高まることが確認できた。ｼﾞｮﾘｵ・ｷｭﾘｰ夫妻の実験報告から2ヵ月後のこと。

さらに半年後の1934年10月、中性子線源と標的元素との間にﾊﾟﾗﾌｨﾝや水を挟む方が、核反応の効率が上がり、得られる放射性元素の放射能が強まることを発見する。また水素を含まない物質を挟んでも、核反応の効率は上がらなかった。ﾌｪﾙﾐは次のように解釈した。水やﾊﾟﾗﾌｨﾝなど水素を多く含む物質を通過した中性子は、水素との繰り返す衝突によって徐々にその運動ｴﾈﾙｷﾞｰを失い、低速の中性子線となる。この低速中性子の方が核反応を誘発しやすいと考えた。低速中性子の運動ｴﾈﾙｷﾞｰは物質の熱振動と同程度となるため、熱中性子とも呼ばれる。

ﾁｪﾚﾝｺﾌ光

光は真空中で最速であるが、水中など媒質中では屈折率に応じて減速する。水中では光速度は約25%減速するため、光速度を上回るｽﾋﾟｰﾄﾞの荷電粒子も現れ、そうした荷電粒子からはﾁｪﾚﾝｺﾌ光が放射される。

1934

1934

ﾊｰﾊﾞｰは晩年、ｱﾒﾘｶへの移住を希望したものの、科学者の移住枠は既に埋まったという理由で許諾されなかった。ﾊｰﾊﾞｰはｽｲｽのﾊﾞｰｾﾞﾙで失意のうちに65歳でこの世を去った。

ﾊｰﾊﾞｰの生涯は毀誉褒貶の激しいものだった。空中窒素固定法(ﾊｰﾊﾞｰ=ﾎﾞｯｼｭ法)により大量の爆薬が作られ人を殺した一方で、土地がやせ作物の収穫が減少するという何千年来の難題を解決し、無数の人々の食糧を確保した。またﾊｰﾊﾞｰはﾏｽﾀｰﾄﾞｶﾞｽなどの化学兵器の開発を行い、ﾄﾞｲﾂの軍事戦力に多大な貢献をしている。戦争の早期終結のためと主張したが、多くの人々から戦争犯罪人と見なされた。

中間子論

※第三の力、核力の理論

中間子を予言

※仮想粒子の概念

1932年に発見された中性子(ﾁｬﾄﾞｳｨｯｸ)は、陽子に加えて原子核の構成要素と見なされ始めた。当時知られていた自然界の基本的な力は、重力と電磁気力の2種である。原子核という狭い領域(10^-15mほど)に押し込めている陽子や中性子にも上記2種の力が働いている。しかし、電気力による斥力に対して重力の引力はあまりにも弱く、既存の力以外の原子核として安定に束ねる新たな力を必要とした。

湯川は原子核内の核子間で働く第三の力として核力を提唱(中間子論)。中間子という核子(陽子と中性子)同士の結合を生み出す仲立ち粒子を想定した。湯川は、その力が及ぶ範囲(2×10^-13m程度)と媒介粒子と想定した中間子の質量(不確定性原理などの条件から電子の200倍程度)の関係は、反比例することに気づいた。

湯川が予言した中間子(ﾒｿﾝ)は、ｾｼﾙ･ﾌﾗﾝｸ･ﾊﾟｳｴﾙにより1948年に発見される。

※結合(引力)というのは、粒子間の粒子の授受によって引き起こされると考える。

【遠距離力と近距離力】

【不確定性原理が測定技術上の問題から、自然現象の本質的な性質に】

不確定性原理が提唱された時(1927年)、それは我々の観測技術の拙さから生じうる性質というきらいがあった。しかし湯川の中間子論では不確定性原理が自然界の本質的な性質として導入されたようだ。核子間を飛び交う中間子は結合力を生み出すが、その結合ｴﾈﾙｷﾞｰに相当する中間子の質量(m=E/c^2)は比較的大きく、

ﾍﾞｰﾃ=ｳﾞｧｲﾂｾﾞｯｶｰの公式

原子核の油滴模型をﾍﾞｰｽに核の結合ｴﾈﾙｷﾞｰを算出する式。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾎﾞﾘｽ･ﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰ

ﾈｲｻﾝ･ﾛｰｾﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾛｼｱ

ｱﾒﾘｶ

EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ

(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ=ﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰ=ﾛ-ｾﾞﾝのﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽ)

量子論ではｽﾋﾟﾝ保存則を維持するために、光速度以上に情報が遠方に瞬時に伝わることが起こりうることを思考実験から予測し、それは相対性理論における宇宙の制限速度である光速度以上のものはないという前提と矛盾することを指摘。

ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの研究室のﾎﾟﾄﾞﾙｽｷｰとﾛｰｾﾞﾝの3名で発表したことで、EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽと呼ばれる。

※EPRﾊﾟﾗﾄﾞｯｸｽはｱｽﾍﾟにより1982年に実験的に検証し、ﾍﾞﾙの不等式(ﾍﾞﾙ/1965年)が成立しないことを示し、光速度を越えて情報が伝わる現象があることを意味し、量子論に軍配が上がった。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾈｲｻﾝ･ﾛｰｾﾞﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ﾜｰﾑﾎｰﾙ(ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ=ﾛｰｾﾞﾝの橋)

重力場方程式からﾜｰﾑﾎｰﾙを表す時空解をｱｲﾝｼｭﾀｲﾝとﾛｰｾﾞﾝが発見。

【ﾜｰﾑﾎｰﾙの名前について】

ﾜｰﾑﾎｰﾙという名前は1957年にﾊﾞﾗｰﾄﾞが命名した。

ｳｫｰﾚｽ･ｶﾛｻﾞｰｽ

ｱﾒﾘｶ

世界初の合成繊維ﾅｲﾛﾝ

ｲｷﾞﾘｽ貴族のﾎﾟｰﾂﾏｽ伯爵ﾘﾐﾝﾄﾝ卿が、ﾛﾝﾄﾞﾝで開かれたｻｻﾞﾋﾞｰｽﾞの競売に家宝として代々受け継がれてきた秘蔵の品、ﾆｭｰﾄﾝの手稿を出した。ﾘﾐﾝﾄﾝ卿は相続や離婚に伴う費用の捻出に苦労していたようである。経済学者ｹｲﾝｽﾞはﾆｭｰﾄﾝの貴重な資料が散逸するのを心配し、その約半分を落札した。落札した手稿は、65万字にも及ぶ錬金術ﾉｰﾄであった。ﾆｭｰﾄﾝは、ﾄﾘﾃﾆﾃｨ･ｶﾚｯｼﾞの礼拝堂近くの庭の端にある木造二階建ての建物を錬金術の実験室として使用していたという。ｹｲﾝｽﾞはこうした有様を「片足を中世に置き、片足は近代科学への途を踏んでいる」と表現した。

ｶｰﾙ･ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ

ｾｽ･ﾈｯﾀﾞｰﾏｲﾔｰ

ｲｷﾞﾘｽ

ｲｷﾞﾘｽ

ﾊﾝｽ･ﾍﾞｰﾃ

ｳﾞｧｲﾂｾﾞｯｶｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

恒星(太陽)のｴﾈﾙｷﾞｰ源

核反応ｻｲｸﾙ

p-p chain反応

ﾍﾞｰﾃは様々な核融合反応が起きる確率(反応断面積と呼ぶ)を検討し、太陽が水素の原子核同士の核融合反応によって莫大なｴﾈﾙｷﾞｰを放出することを示した。ｳﾞｧｲﾂｪｯｶｰも独立して発表。

星の内部の超高温、高密度の環境では炭素を触媒にして、陽子(水素ｲｵﾝ)同士が融合して重水素(ﾕｰﾘｰ/1932年)が形成され、重水素同士の融合によってﾍﾘｳﾑが生じる。軽い原子核が融合し質量の大きいより安定した原子核が作られることで、その反応前後の質量差がE=mc^2として開放され、星は輝いている。

ｽﾘｯﾂ･ﾂﾋﾞｯｷｰ

ｽｲｽ

銀河の見えない質量(重力源)

※暗黒物質の存在の示唆

ｴﾐﾘｵ・ｾｸﾞﾚ

C.ﾍﾟﾘｴ

ｲﾀﾘｱ

ｲﾀﾘｱ

最初の人工元素(ﾃｸﾈﾁｳﾑ(Tc))

原子番号43のﾃｸﾈﾁｳﾑ(Tc)には安定した核種が存在せず、天然鉱物から見つけることは困難であった(但し、ｳﾗﾝ鉱石中のｳﾗﾝ核分裂由来のﾓﾘﾌﾞﾃﾞﾝ(Mo)の壊変で生じるTcは1968年に発見される)。

ｾｸﾞﾚとﾍﾟﾘｴは、ｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学のｻｲｸﾛﾄﾛﾝでMoに重陽子(陽子1個と中性子1個からなる重水素の原子核)を照射し、周期表上のMnとReに似た新しい元素を得た。1947年にこの元素は人工的に作られた最初の元素として、ｷﾞﾘｼｬ語の"人工の"を意味するﾃｸﾈﾁｳﾑと命名された。

ﾏﾝﾌﾚｰﾄ・ｱﾙﾃﾞﾝﾇ

ﾄﾞｲﾂ

走査型電子顕微鏡 (SEM)

1937

ﾋﾟｮｰﾄﾙ･ｶﾋﾟｯﾂｧ

液体ﾍﾘｳﾑIIの超流動

Heの同位体のうち主要なHe4は、絶対零度でも常圧下では固体化せず、液体として存在する。ｶﾋﾟｯﾂｱは、He4を約2.2Kまで下げると粘性が完全に失われる超流動現象を発見し、容器の壁を自然によじ登って外に流れ出したり、原子1個分の小さな穴さえも通るようになる。なおﾍﾘｳﾑの主成分であるHe4は、同位体のHe3の100万倍多く含まれる。

※極低温では物質の量子効果が巨視ｽｹｰﾙで現れるため、量子的挙動が大きく異なるHeの同位体(He4とHe3)を区別して考える必要がある。He3の超流動現象の発見は1972年である。

1937

ﾎｲｯﾄﾙ

ｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝ

ﾎｲｯﾄﾙが主任技師を務めるﾊﾟﾜｰｼﾞｪｯﾄ社が世界初のｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝの開発に成功。

1937

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

書物『新しい錬金術』

※前年の講演内容の書籍化

1936年、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞはｹﾝﾌﾞﾘｯｼﾞのﾆｭｰﾊﾑ･ｶﾚｯｼﾞで「ﾍﾝﾘｰ･ｼｼﾞｳｨｯｸ記念講演」を行った。翌年、その講演録が書物『新しい錬金術』としてｹﾝﾌﾞﾘｯｼﾞ大学出版から刊行された。その中でﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞは次のように語っている。

「現代の科学に目を向けると、極めて微量ではあるが、金を作り出すことは夢ではなくなっている。但し、金よりも高価な元素、白金を変換するわけであるから、採算は全く合わないが」

ここでﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞが述べている錬金術は、白金(原子番号:78)を金(原子番号:79)にする方法であって、白金に陽子を一つ打ち込むことを意味する。1930年代に入ると、水素ｶﾞｽを高圧放電によって電離させ、陽子を作り出し加速させる装置が開発されていたため、既存のﾗｼﾞｳﾑ由来のα線よりも正電荷が低く、運動ｴﾈﾙｷﾞｰも調整できるという技術面での進歩が錬金術を可能にさせたと言える。但し、全く採算が合わないのはﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞが述べる通りである。

※長岡半太郎がかつて失敗した水銀還金実験(1924年)は、ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの錬金術とは逆に原子核を壊す(原子番号を減らす)方法での錬金術であった。

1937

ｱｰﾈｽﾄ･ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ、逝去

1938

ﾅﾁｽﾄﾞｲﾂ、ｵｰｽﾄﾘｱを併合

ｵｯﾄｰ･ﾊｰﾝ

ﾌﾘｯﾂ･ｼｭﾄﾗｽﾏﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

ｳﾗﾝの核分裂の発見

※原子番号の大幅な変化を伴う核変換

二次中性子と連鎖反応の示唆

1934年のﾌｪﾙﾐの中性子照射による核反応実験以降、中性子を用いた様々な実験が行われてきたが、標的元素の原子番号の変化が2を超えるような反応は一例も見られなかった。

ところが1938年冬、ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝはｳﾗﾝ(Z=92)に中性子を照射する実験で、一部のｳﾗﾝが中性子を吸収して莫大なｴﾈﾙｷﾞｰと2つの放射性同位体元素(ﾊﾞﾘｳﾑ(Z=56)とｸﾘﾌﾟﾄﾝ(Z=36))に分かれることを発見した。ｳﾗﾝの核は中性子によってほぼ半分に割れてしまったことになる。なお本実験の発表は、年明けの1939年1月6日である。

ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝの実験結果に理論的な解釈を与えるのは、共同研究者であったﾏｲﾄﾅｰとﾌﾘｯｼｭである。但し、ﾕﾀﾞﾔ系のｵｰｽﾄﾘｱ人であったﾏｲﾄﾅｰはこの頃、ﾅﾁｽﾄﾞｲﾂによるｵｰｽﾄﾘｱ併合に伴いﾅﾁｽの直接的な影響下となったことを受けて、ｽｳｪｰﾃﾞﾝへ亡命する。

ﾘｰｾﾞ･ﾏｲﾄﾅｰ

ｵｯﾄｰ･ﾛﾍﾞﾙﾄ･ﾌﾘｯｼｭ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｳﾗﾝの核分裂の理論的解釈

ﾊｰﾝとｼｭﾄﾗｽﾏﾝの実験結果に、ﾏｲﾄﾅｰとﾌﾘｯｼｭは原子核の油滴ﾓﾃﾞﾙを用いてその理論的な説明を与えた。ｳﾗﾝの原子核では、その狭い領域に92個の陽子を封じ込こめるために強い電気的反発力が生じている不安定な状態である。中性子の衝突を受けると、液滴の揺れが増大し、その表面張力を振り切って二つの小滴に分裂すると説明した。

※原子核の液滴ﾓﾃﾞﾙとは、陽子と中性子の集団である核を分子の集団である液体の滴に見立て、核の構造や性質を記述するﾓﾃﾞﾙである。

【核力について】

陽子同士の電気的反発力を封じ込め、陽子と中性子といったﾊﾄﾞﾛﾝを結び付ける力は核力であり、1935年に湯川秀樹の中間子論によって提唱されていた。なお中間子論で予言された中間子は、1947年にｾｼﾙ･F.ﾊﾟｳｴﾙによって発見される。

【ﾏｲﾄﾅｰのｽｳｪｰﾃﾞﾝ亡命】

ﾊｲﾝｹﾙ社

ｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝ搭載飛行機の実用化

ﾊｲﾝｹﾙ社が独自に開発したｼﾞｪｯﾄｴﾝｼﾞﾝを搭載したHe178の試験飛行に成功。

第二次世界大戦、勃発(～1945年)

1939年9月1日、ﾄﾞｲﾂ軍のﾎﾟｰﾗﾝﾄﾞ侵攻により第二次世界大戦が始まる。この時、ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは滞米生活6年目を迎えていた。

【ﾌｪﾙﾐのｱﾒﾘｶ亡命】

ﾑｯｿﾘｰﾆが支配するｲﾀﾘｱでもﾕﾀﾞﾔ人弾圧が強まっていた。ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐは妻がﾕﾀﾞﾔ人であったため、1938年のﾉｰﾍﾞﾙ物理学賞(中性子照射による放射性元素の生成)の受賞式出席に乗じてｱﾒﾘｶ亡命を決行。ｽﾄｯｸﾎﾙﾑを経由して1939年1月2日にｱﾒﾘｶに渡った。

ｱﾙﾍﾞﾙﾄ･ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ

ﾚｵ･ｼﾗｰﾄﾞ

ﾕｰｼﾞﾝ･ﾎﾟｰﾙ･ｳｨｸﾞﾅｰ

ﾄﾞｲﾂ

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾊﾝｶﾞﾘｰ

ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領への書簡

⇒原爆開発の危険性の訴え

滞米生活6年目を迎えていたｱｲﾝｼｭﾀｲﾝは、一般相対性理論を拡張し、重力と電磁気力を統一した理論の構築を目指していた。

そんな中、1939年7月、来訪してきたｼﾗｰﾄﾞとｳｨｸﾞﾅｰ(両者はﾊﾝｶﾞﾘｰよりｱﾒﾘｶに亡命)からﾄﾞｲﾂが原子爆弾の開発に乗り出す危険性があることの強い訴えを聞いた。この背景として1938年末のｳﾗﾝの核分裂反応の発見がある。

ｼﾗｰﾄﾞと話すまで、ｳﾗﾝの二次中性子放出による核分裂連鎖反応の可能性を考えていなかったｱｲﾝｼｭﾀｲﾝであったが、すぐに事の重大さを理解した。1939年8月2日、彼らの訴えに端を発し、影響力のあるｱｲﾝｼｭﾀｲﾝを差出人として、ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領にｱﾒﾘｶも早急に然るべき行動に移るべきである亡命科学者の訴えを書簡として送った。※実際に大統領に届くには、大戦勃発後の1939年10月11日。

【良質のｳﾗﾝ鉱石の産出地について】

書簡の中では、ｳﾗﾝ資源の所在についても記載されている。

「ｱﾒﾘｶには質の悪いｳﾗﾝ鉱石が僅かに産出されるだけなので、良質のｳﾗﾝ鉱石はｶﾅﾀﾞと旧ﾁｪｺｽﾛﾊﾞｷｱにいくらかあり、もっとも重要なその供給源はﾍﾞﾙｷﾞｰ領ｺﾝｺﾞになると書かれている。そして、ﾄﾞｲﾂは接収したﾁｪｺｽﾛﾊﾞｷｱから採掘されるｳﾗﾝの輸出を停止したようなので注意が必要である。」

【ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝの後悔】

大戦後、当時のﾄﾞｲﾂには原子爆弾を開発できる可能性がなかったことを知ると、この書簡に署名したことをいたく悔やんだとされる。ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領が核兵器開発のｺﾞｰｻｲﾝを出すのは1941年10月である。ｱｲﾝｼｭﾀｲﾝ自身は、ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画というｺｰﾄﾞﾈｰﾑで進められる核兵器開発には関与していない。

磁気共鳴法

NMR信号の検出

ﾛﾊﾞｰﾄ･ｵｯﾍﾟﾝﾊｲﾏｰ

ﾊｰﾄﾗﾝﾄﾞ･ｼｭﾅｲﾀﾞｰ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの理論的発生ﾌﾟﾛｾｽ

※ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念の確立

両氏は、星が死んで重力崩壊していく時の様子を一般相対性理論を用いて調べた。そして星は、自身の重力によって無限小に縮小すると指摘した。ここに至って初めて今日のﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙの概念が誕生した。なおこの時はﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙではなく、重力崩壊星(collapsing star)と呼ばれていた。

※ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙと呼ばれるのは、1967年12月にｼﾞｮﾝ･ﾎｲｰﾗｰが講義で使ったのが最初とされる。

ﾘﾁｬｰﾄﾞ･P.ﾌｧｲﾝﾏﾝ

ｱﾒﾘｶ

経路積分

ｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾏｸﾐﾗﾝ

ﾌｨﾘｯﾌﾟ･ｱﾍﾞﾙｿﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

原子番号93ﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑ(Np)の生成

※超ｳﾗﾝ元素の生成

天然に存在する元素の中で最も重いのは原子番号92のｳﾗﾝ(U)であるが、ｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学ﾊﾞｰｸﾚｰ校のﾏｸﾐﾗﾝとｱﾍﾞﾙｿﾝは、核反応の生成物の中に原子番号93の新元素(ﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑ)を発見した。初の超ｳﾗﾝ元素となった。

核分裂を起こさないｳﾗﾝ238の核は、照射された中性子を吸収すると、質量数239のｳﾗﾝ同位体となる。これがﾍﾞｰﾀ線を放射するとﾈﾌﾟﾂﾆｳﾑに変換される。

1940

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ｱﾒﾘｶ

書物『不思議の国のﾄﾑｷﾝｽ』

※相対論の啓蒙書

核物理学者ｶﾞﾓﾌによる相対論に関する啓蒙書である。相対論効果を想像しにくくさせる理由は光速度に近づかなないと効果がはっきりしないからだ。ｶﾞﾓﾌは光速度が自転車の移動速度ほどに遅くなった(物理定数をいじった)仮想世界を用意し、主人公ﾄﾑｷﾝｽの体験を通じて、日常生活の何気ない行動の中で相対論効果がどのように現れるかを説明している。

但し、ｴﾈﾙｷﾞｰの側面から考えると光速度(m/s)の物理定数が1億分の1程度まで低下した世界では、E=mc^2で得られるｴﾈﾙｷﾞｰが極めて小さいため、太陽も輝かないし、生命誕生も難しい。

ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領

ｱﾒﾘｶ

ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画、始動

※原子爆弾の開発計画

1941年10月、ﾙｰｽﾞﾍﾞﾙﾄ大統領の指示でﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画と呼ばれる核兵器開発の計画が進められる。

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ｲﾀﾘｱ

原子炉の構想

1938年に発見されたｳﾗﾝの核分裂連鎖反応を利用して、核ｴﾈﾙｷﾞｰを取り出す原子炉の基礎理論を構築。連鎖反応の実現のためには核分裂の確率を高める必要があるが、ｳﾗﾝ235の含有比率を高めた濃縮ｳﾗﾝを作る方法(同位体分離方式)と、速度を落とした熱中性子との衝突を効率的に進行させる減速材を用いた方法とが考えられる。

ﾄﾞﾅﾙﾄﾞ･ｶｰｽﾄ

ｱﾒﾘｶ

ﾍﾞｰﾀﾄﾛﾝ

ﾚﾌ･ﾗﾝﾀﾞｳ

ｿ連

液体ﾍﾘｳﾑの超流動の理論

※量子流体の理論

ｴﾄﾞﾚﾝ

太陽ｺﾛﾅの温度測定

ｺﾛﾅ特有の緑色のｽﾍﾟｸﾄﾙ線が鉄原子を数十回電離した鉄ｲｵﾝ由来であることを発見。鉄原子がこれだけの電子を剥ぎ取られた状態となるには100万K以上の温度が必要。

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐ

ｼｶｺﾞ大学

ｲﾀﾘｱ

ｱﾒﾘｶ

原子炉(ｼｶｺﾞ･ﾊﾟｲﾙ1号)稼働

※人類最初の原子の火

核分裂連鎖反応の持続(臨界)

1942年10月にﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画(原子爆弾開発)が始まり、ｼｶｺﾞ大学では最初の原子炉(ｼｶｺﾞ･ﾊﾟｲﾙ1号,CP-1)が組み立てられた。12月2日の午後2時20分、原子炉は臨界に達した。臨界が報告された時、ｱｰｻｰ･ｺﾝﾌﾟﾄﾝはﾊｰﾊﾞｰﾄﾞ大学学長のｺﾅﾝﾄに暗号電話をかけ、「大ﾆｭｰｽだ。ｲﾀﾘｱの航海者がたった今、新大陸に上陸したよ」と伝えた。

核分裂で発生した高速中性子を熱中性子にする減速材には、水が適していた。しかし一方で、熱中性子が陽子(水素ｲｵﾝ)と結合して重水素が作られる反応も同時に進行することが分かり、これが臨界(核分裂連鎖反応の持続)のため必要な中性子の数を無駄に食いつぶす原因となる。そこでﾌｪﾙﾐは別の軽い元素を探し、黒鉛(ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ)を用いた。減速材(黒鉛)とｳﾗﾝ原料を一様に混ぜることはせず、減速材のﾌﾞﾛｯｸの上にｳﾗﾝの塊を積み上げた構造(ﾊﾟｲﾙと呼ばれる)にした。また核分裂連鎖反応の制御には、中性子をよく吸収する性質を持つｶﾄﾞﾐｳﾑ(Cd)の制御棒の抜き差しで行われた。

※CP-1は原子爆弾燃料のﾌﾟﾙﾄﾆｳﾑ239生成用原子炉を設計するための実験炉として作られた。

【臨界のための濃縮ｳﾗﾝと減速材】

ｴﾝﾘｺ･ﾌｪﾙﾐはｲﾀﾘｱ時代(ｱﾒﾘｶ亡命前)から中性子線照射による人工放射性元素の生成実験や熱中性子の利用など(1934年)、中性子の取り扱いに習熟していた。原子炉の臨界を目指す上で、ﾌｪﾙﾐは減速材により得られる熱中性子を天然ｳﾗﾝ(含有比率99.275％の核分裂しないｳﾗﾝ238を含む)に照射する方法を選んだ。別の有力な手法として同位体分離による濃縮ｳﾗﾝ製造もあるが、こちらは相当の手間とｺｽﾄが掛かるため、この時点では減速材の工夫によって臨界を達成した。

ﾛｹｯﾄｴﾝｼﾞﾝ搭載の弾道ﾐｻｲﾙ

液体燃料ﾛｹｯﾄｴﾝｼﾞﾝを搭載した世界初の弾道ﾐｻｲﾙV2号が完成し、初飛行も成功。

朝永振一郎

超多時間理論

ﾌｧﾝ･ﾃﾞ･ﾌﾙｽﾄ

水素原子の21㎝電波を予言

陽子と電子の磁気作用により、水素原子から21cmの波長の電波が放射されることを理論的に示した。

ﾏﾝﾊｯﾀﾝ計画

ﾄﾘﾆﾃｨ実験(人類最初の核実験)

原子爆弾

核分裂を起こすU235の濃縮とPuの製造に成功したｱﾒﾘｶは、7月16日にﾆｭｰﾒｷｼｺ州ｱﾗﾏｺﾞﾙﾄﾞで原子爆弾の実験(ﾄﾘﾆﾃｨ実験)を実施した。

原子爆弾、投下

ｴﾄﾞｳｨﾝ･ﾏｸﾐﾗﾝ

ｳﾗｼﾞﾐｰﾙ･ﾍﾞｸｽﾗｰ

ｱﾒﾘｶ

ﾛｼｱ

ｼﾝｸﾛﾄﾛﾝ

ｻﾞﾎﾞｲｽｷｰ

ﾛｼｱ

電子ｽﾋﾟﾝ共鳴法

ｸﾞﾚﾝ･ｼｰﾎﾞｰｸﾞ

拡張型元素周期表

ｳﾞｪﾙﾅｰの長周期型周期表(1905年)を発展させ、新たに発見されたﾗﾝﾀﾉｲﾄﾞとｱｸﾁﾉｲﾄﾞを別枠に設けて配置した拡張型元素周期表を作成した。現在、我々が日常的に目にする元素周期表はｼｰﾎﾞｰｸﾞの周期表である。

ﾌｪﾘｯｸｽ･ﾌﾞﾛｯﾎ

ｴﾄﾞﾜｰﾄﾞ･ﾊﾟｰｾﾙ

ｽｲｽ

ｱﾒﾘｶ

核磁気共鳴法(NMR)

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論(火の玉宇宙論)

ｱﾒﾘｶ陸軍

ﾍﾟﾝｼﾙﾍﾞﾆｱ大学

電子計算機ENIAC(ｴﾆｱｯｸ)の開発

※世界初の汎用ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ

ｱﾒﾘｶ陸軍の委託によりﾍﾟﾝｼﾙﾍﾞﾆｱ大学で開発された初の実用的な汎用電子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ。開発目的は大砲の弾道計算。約1.8万本の真空管を用いた総重量約30tの巨大設備であり、約160㎡の部屋に収められた。

ｳｨﾘｽ･ﾕｰｼﾞｰﾝ･ﾗﾑ

ﾛﾊﾞｰﾄ･ﾚｻﾞﾌｫｰﾄﾞ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾑ=ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの実験

ﾗﾑｼﾌﾄの発見

水素原子のﾏｲｸﾛ波ｽﾍﾟｸﾄﾙ分析(ﾗﾑ=ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞの実験)により、ｽﾋﾟﾝを考慮したﾃﾞｨﾗｯｸ方程式でも説明できない僅かなｽﾍﾟｸﾄﾙのｽﾞﾚ(微細構造)を観測した(ﾗﾑｼﾌﾄと呼ぶ)。

ｳｨﾘｽ･ﾕｰｼﾞｰﾝ･ﾗﾑ

ﾎﾟﾘｶﾌﾟ･ｸｯｼｭ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾗﾑｼﾌﾄの精密測定

ﾗﾑとｸｯｼｭは、超短波による核磁気共鳴実験よりﾗﾑｼﾌﾄの精密測定を実施。

ﾗﾑｼﾌﾄの原因を核と電子の相互作用ではなく、電子が自分自身(原子内の別の電子ではない)が周囲に作り出す電磁場からも影響を受け、ｽﾍﾟｸﾄﾙの微細構造を生み出していることを示した。

くりこみ理論

ﾗﾑｼﾌﾄの理論的導出

※量子電磁気学の確立

仮想粒子のために計算上、無限大に発散してしまう電子の質量と電荷に対して、暫定的に有限の観測値に置き換え(これを"くりこみ"と呼ぶ)、超多時間理論(1943年)を適用すると、全ての物理量が有限に収まることが示された。

くりこみ理論と超多時間理論によって、ﾃﾞｨﾗｯｸ方程式からのｽﾞﾚが指摘されていた電子自身の電磁場の影響による微細構造であったﾗﾑｼﾌﾄの測定結果と、高い精度で合致した。

※同時期に、朝永と同様の成果をｼｭｳｨﾝｶﾞｰとﾌｧｲﾝﾏﾝが独立に提示している。

以上をもって、荷電粒子と電磁場から成る系を扱う量子電磁力学という学問が確立された。

ｳｨﾗｰﾄﾞ･ﾌﾗﾝｸ･ﾘﾋﾞｰ

放射性炭素年代測定法

(14C年代測定法)

炭素の質量数は12であるが、放射性同位体の質量数14の炭素を用いて年代測定を行う方法を提唱。炭素は質量数12が98.9%を占めるが、大気中の窒素に宇宙線が衝突したときの核反応によって生成される炭素14が1.1%の割合で存在する。生物を構成する炭素のうち14Cの比率も常に1.1%であるが、死んでしまうと体内に炭素が取り込まれなくなるため、14Cは少しずつ崩壊し、14Cの含有量が減少する。この14Cは、5730年の半減期で崩壊するため、その含有量からその生物が生きていた時代を推定できる。

ｾｼﾙ･ﾌﾗﾝｸ･ﾊﾟｳｴﾙ

ﾊﾟｲ中間子

※湯川粒子

ﾊﾟｳｴﾙは高速の荷電粒子の飛跡を鮮明に撮影する方法を開発した。写真乳剤での宇宙線の観測で、湯川が予言した中間子(ﾒｿﾝ)の性質を持つ新たな粒子を発見した(現在、これはﾊﾟｲ中間子と呼ばれる)。

※人工的には1948年にｶﾘﾌｫﾙﾆｱ大学の加速器で生成に成功。

中間子は、原子核内の核子(陽子や中性子)の間で働く"強い力"を媒介し、強い結合力を生みだすことで、陽子同士に働くｸｰﾛﾝ力(電気的反発)を抑え込んでいる。

原子核内では不確定性原理に従い、観測できないほどの極めて短時間Δtに中間子が核子間を交換されていると考えられるが(仮想粒子と呼ぶ)、実際に中間子の質量に相当するｴﾈﾙｷﾞｰを外部から注入してやれば、観測可能なほど十分な時間、中間子が具現化しうる。

【ｴﾈﾙｷﾞｰ保存則の破綻の証左?】

ｴﾈﾙｷﾞｰの元手がない場合でも、不確定性原理の制約を満たす短時間であれば真空から必要なｴﾈﾙｷﾞｰを調達しうる。これはごく短時間であれば、ｴﾈﾙｷﾞｰ保存則が破綻しているとも言える。

国際度量衡局

電流の単位(ｱﾝﾍﾟｱ)の再定義

力から電流を定義

電流の単位ｱﾝﾍﾟｱを「真空中に1mの間隔で平行に配置された無限に小さい円形断面積を有する無限に長い2本の直線状導体が想定し、各々に一定の電流を流した時に導体の長さ1mにつき2×10^-7ﾆｭｰﾄﾝ(N)の力を及ぼし合う電流を1ｱﾝﾍﾟｱ」と定義した。これは1820年にｱﾝﾍﾟｰﾙが公開実験した内容で、ｱﾝﾍﾟｰﾙの力を利用した定義である。

電気は溜ることが難しいため、電気量(ｸｰﾛﾝ)よりも電流(ｱﾝﾍﾟｱ)を先立って定義される。単位の観点では、電流(ｱﾝﾍﾟｱ)が最上位であり、電気量(ｸｰﾛﾝ)は導かれる対象として「1ｸｰﾛﾝとは1秒間に1ｱﾝﾍﾟｱの電流によって運ばれる電荷」と定義される。

ｼﾞｮｰｼﾞ･ｶﾞﾓﾌ

ﾗﾙﾌ･ｱﾙﾌｧｰ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

αβγ理論(ｱﾙﾌｧ･ﾍﾞｰﾀ･ｶﾞﾝﾏ理論)

※宇宙初期の原子核合成理論

1930年代以降、中性子(1932年/ｱﾝﾀﾞｰｿﾝ)の発見、中間子論(湯川秀樹/1935年)、各種の原子核ﾓﾃﾞﾙなど原子核物理学の知見をもとにﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝﾓﾃﾞﾙの議論ができるようになってきた。

αβγ理論は、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝによる宇宙初期の原子核合成の理論である。まず宇宙初期の高温高圧の中性子ｶﾞｽ(過熱した中性の原子核の液体)から陽子と電子が作られる。そして宇宙膨張に伴う温度低下により、残っている中性子と陽子が融合し重水素が作られ、次々と重い原子核が作られていくと考えた。

αβγ理論では重元素まで一気に合成されるとしたが、後に林忠四郎により、宇宙初期にはﾍﾘｳﾑより重い元素は形成されないとし、この指摘を踏まえたものをαβγ林理論(1950年)と呼ぶことがある。

1948 

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論

1948 

ﾍﾙﾏﾝ･ﾎﾞﾝﾃﾞｨ

ﾄﾏｽ･ｺﾞｰﾙﾄﾞ

ﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｵｰｽﾄﾘｱ

ｲｷﾞﾘｽ

定常宇宙論

ﾙﾒｰﾄﾙによるﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙの法則(1927年)の発見以降、宇宙の膨張は観測事実として認める必要があるが、その膨張によって宇宙の密度が薄まれば物理法則が時間とともに徐々に変化することになる。

定常宇宙論は、完全宇宙原理(場所･時間に関係なく物理法則は常に同じ)に基づく理論であり、宇宙膨張による宇宙の密度減少を避ける理屈として、宇宙は毎年1km^3当たりおよそ水素原子1個が新たに生まれるとした。当初、定常宇宙論がﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論よりも優勢と見られた理由として、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ宇宙論によればﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙ定数が当時の最新の値で250-300km/s/Mpcであり、逆算される宇宙年齢は40億年程度となり、これは地球の年齢よりも若いという矛盾があった。

※新たなﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝの証拠として宇宙背景放射(3K輻射)が発見(1965年)された1960年代になると、ﾊｯﾌﾞﾙ=ﾙﾒｰﾄﾙ定数は100km/s/Mpc弱となり、宇宙年齢は100億年強いまで延びた。

ﾍﾝﾄﾞﾘｯｸ･ｶｼﾐｰﾙ

ﾀﾞｰｸ･ﾎﾟﾙﾀﾞｰ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｵﾗﾝﾀﾞ

ｶｼﾐｰﾙ効果

真空内に平行に置かれた2枚の金属板の間に、外部から何らｴﾈﾙｷﾞｰを与えずとも引力が働くことを予想(ｶｼﾐｰﾙ効果と呼ぶ)。

ｼﾞｮﾝ･ﾊﾞｰﾃﾞｨｰﾝ

ｳｫﾙﾀｰ･ﾌﾞﾗｯﾃﾝ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ｱﾒﾘｶ

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

※点接触型ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

米国ﾍﾞﾙ研究所にてﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ(点接触型ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ)が発明される。ｹﾞﾙﾏﾆｳﾑ単結晶に僅かに不純物を混ぜると、真空管と同様に電流の整流・増幅・発振が可能になる。ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀは小型で耐久性に優れ、省電力なため真空管(気体ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ)のいきずまりを破り、ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの実用性を高めた。

中華人民共和国、成立

ｹﾞｯﾊﾟｰﾄ･ﾒｲﾔｰ

ﾖﾊﾈｽ･ﾊﾝｽ･ｴﾝｾﾝ

ﾄﾞｲﾂ

ﾄﾞｲﾂ

原子核の殻模型(ｼｪﾙﾓﾃﾞﾙ)

魔法数

ﾚｵ･J.ﾚｲﾝｳｫｰﾀｰ

ｱﾒﾘｶ

核子の非対称性

ﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙ

ｱﾒﾘｶ

ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝの命名

定常宇宙論(1948年)の提案者の一人であるﾌﾚｯﾄﾞ･ﾎｲﾙは、BBCのﾗｼﾞｵ番組の中で初めてﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝという言葉を使用した。科学史家ﾍﾙｹﾞ･ｸﾗｰｳによれば、これは当時、対立していたﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ理論に対して悪い意味合いで使われたわけではないとする研究結果を発表している。

1940年代後半から宇宙背景放射が発見(1965年)されるまでの約20年間は、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝ宇宙論と定常宇宙論は両方存続していたが、宇宙背景放射の発見以降は、定常宇宙論は静かに衰退し、ﾋﾞｯｸﾞﾊﾞﾝという言葉が多く使われるようになった。

1949

1949

ｱﾒﾘｶ国立標準局

ｲｷﾞﾘｽ国立物理学研究所

ｱﾒﾘｶ

ｲｷﾞﾘｽ

原子時計(ｱﾝﾓﾆｱ型)

原子時計(ｾｼｳﾑ型)

元素合成理論

※αβγ林理論