【簡単】原子や素粒子とは何なのか|発見の歴史を解説

原子や素粒子とは何なのか|発見の歴史を解説 自然科学

「原子や素粒子って何? 原子や素粒子はどういった構造をしてるの? 原子や素粒子発見の歴史を知りたい。 クォークやグルーオンについて知りたい。物理学って何だか難しそうだな…」

こういった疑問に物理学修士の筆者が答えます。

結論

素粒子はこれ以上分解できない粒子で、原子はその素粒子からできています。詳細は本記事にて解説します。

本記事の参考文献

本記事の内容

原子や素粒子とは何なのか

素粒子はこれ以上分解できない粒子で、原子はその素粒子からできています。例えば水素原子は月が地球の周りを回っているように、原子核の周りを電子が回ってるのです。上写真の左はヘリウムの原子核を表していて、この中で電子は素粒子ですが、原子核や原子核を構成する陽子や中性子は素粒子ではありません。さらに陽子は上写真の右のようにアップクォーク2個とダウンクォーク1個からできています。(ちなみに中性子はアップクォーク1個とダウンクォーク2個でできています。ここででてきたアップクォークとダウンクォークもこれ以上分解することができない素粒子なのです。
さらにクォークはグルーオンという素粒子によって結びついて陽子を形成しているのです。このグルーオンによって作用する力は電磁気力より強いため「強い力」といい、アップクォークとダウンクォークに作用して陽子や中性子を形成します。

原子や素粒子発見の歴史

原子や素粒子発見の歴史

原子や素粒子発見の歴史を「1.電子の発見」、「2.原子核の発見」、「3.中性子の発見」、「4.中間子の発見」、「5.クォークの発見」の順に解説します。

1.電子の発見

英物理学者ジェゼフ・ジョン・トムソンは、放電現象とはガラス管内で電圧をかけると、陽極側が光ることから、陰極から陽極へ何らかのエネルギーが放射されていると考えました。さらにガラス管磁石を近づけると、放射の方向が変わる(陽極側の光る箇所が変わる)ことから、このエネルギーの正体は負の電荷を帯びた粒子(電子)だということを発見したのです。
ちなみにこのエネルギーの放射(電流の流れ)は放電現象といい、雷や蛍光灯の光もこの放電現象なのです。

2.原子核の発見

ニュージーランドの物理学者アーネスト・ラザフォードは金箔にアルファ線(ヘリウムの原子核)を当てるという実験で、一部のアルファ線が金箔を貫通せずに跳ね返されることがわかりました。このことから「アルファ線は金原子の中心にある重い粒子によって、一部跳ね返されている」という原子核(重い粒子)の存在を発見したのです

3.中性子の発見

英物理学者ジェームズ・チャドウィックはベリリウムにアルファ線を当て、ベリリウムから発生する放射線を観測するという実験で、放射線の正体は電気的に中性(+も-の電荷も持たない、例えば陽子なら+、電子なら-の電荷を持っている)で陽子と同じ大きさであることを発見しました
原子核は陽子(電荷+)と電子(電荷-)でできいて、電気的なつり合いは取れていると考えると、原子核と陽子の質量のつり合いはとれなかったですが、中性子の発見により、電気的なつり合いと質量のつり合いが両方とれるようになりました。

4.中間子の発見

グルーオンの発見前、陽子と中性子は「中間子」を受け渡すことによって結びついているとされていました。湯川秀樹は陽子と中性子の間に電磁気力より強い「核力」が作用していて、核力は中間子の受け渡しによって発生することを提唱したのです。当初、中間子は素粒子と考えられていましたが、現在、中間子はクォークと反クォークが結びついた粒子であることがわかっています。

5.クォークの発見

米物理学者マレー・ゲルマンは陽子や中性子が基本粒子(これ以上分解できない粒子)ではなく、クォークと呼ばれる粒子で構成されていることを数学的に示唆しました。例えばアップクォークの電荷が2/3でダウンクォークの電荷が-1/3だとすると、アップクウォーク2個ダウンクウォーク1個で陽子の電荷+1を表現し、アップクウォーク1個ダウンクウォーク2個で中性子の電荷0を表現したのです。また中間子にいたっては、アップクォークの反物質(電荷が逆で、物質に衝突すると対消滅するモノ)である反アップクウォーク1個とダウンクウォーク1個で中間子の電荷-1を表現しました。
その後、米物理学者ジェームズ・ビヨルケンは電子線を使って陽子の中を調べようと試みたところ、陽子の内部を動き回っていることを発見しました。厳密にはこれはクォークとグルーオンの発見となります。

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