ラザフォードの公式

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ラザフォード散乱

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/07/04 01:07 UTC 版)

ラザフォード散乱の意義 従来の原子モデル（左）では広く薄く分布する正電荷の中に電子が分布していると考えられた。この原子モデルからは、入射したアルファ粒子は直進するか、わずかに偏向されるだけと予想される。しかしラザフォードの実験により、約8000個に1個のアルファ粒子の軌道が90度以上偏向される後方散乱を受けることがわかった（右）。この実験によって、原子内の正電荷がごく小さい領域に集中している、つまり原子核が存在すると推論された（ラザフォードの原子モデル）。ラザフォードは計算によって核の寸法が 10⁻¹⁴ m 以下であることも導いた。これは原子の寸法の約1万分の1に相当する。

ラザフォード散乱（ラザフォードさんらん、英: Rutherford scattering）とは、クーロン相互作用による荷電粒子間の弾性散乱を言う。1911年、アーネスト・ラザフォードにより説明された物理現象であり、ボーア模型の先駆けとなったラザフォードの惑星型原子模型の発展につながった。現在では、ラザフォード後方散乱分光という元素組成分析手法に利用されている。ラザフォード散乱は、静電気力（クーロン力）のみに依存し、粒子間の最接近距離はクーロンポテンシャルのみにより決定されるため、初めはクーロン散乱と呼ばれた。古典的なアルファ粒子の金原子核によるラザフォード散乱においては、散乱された後の粒子の持つエネルギーと速度が散乱前と変わらないので、「弾性散乱」の例といえる。

概要

1908年から1910年にかけてと1913年の4度、ハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンが、金属箔にアルファ線を照射するガイガー・マースデンの実験をラザフォードの指導の下で行っていた時、2度目の実験の際に初めて発見された。実験当時、原子はJ. J. トムソンの提唱した、負電荷（ブドウ）が正電荷を帯びた球体（パン）にちりばめられたブドウパン模型のように理解されていた。もしこの理解が正しければ、「パン」部分は現在のモデルにおいて正電荷が集中している原子核よりも大きく拡がっており、そんなに大きなクーロン力を及ぼすことはできず、アルファ粒子は小さな角度だけ偏向するに留まるはずだった。

しかし、ほとんどのアルファ粒子はほぼ直進するにもかかわらず8000個に1つほどのアルファ粒子はとても大きな角度（90°超）の偏向されるという興味深い結果が得られた。このことから、ラザフォードは質量の大部分が小さな、正電荷を帯びた領域（核・中心電荷）を電子が取り囲んでいるという結論に達した。正に帯電したアルファ粒子が十分に核に接近した場合にのみ、大きな角度の偏向を起こせるだけの強い斥力を受ける。核のサイズの小ささが反跳するアルファ粒子の数が少ないことを説明できる。ラザフォードは、後述の方法を用いて、核は 10⁻¹⁴ m よりも小さいことを示した。

ラザフォードはその後、アルファ線の水素原子核（陽子）による散乱時に起こる非弾性散乱も解析している。この現象はラザフォードにより初めて観測されたにもかかわらず、ラザフォード散乱とは呼ばれない。このような過程においては、非クーロン力が影響を持ちはじめる。このような力、そして軽い標的から散乱粒子が得るエネルギーが根本的に散乱結果を変化させ、これにより標的の情報が得られる。1960年代には、このような過程を用いる深部非弾性散乱法により原子核の内部が調査された。

導出

中心力により相互作用する粒子の運動方程式から、散乱断面積を導出することができる。一般に、中心力により相互作用する二粒子は重心の運動と粒子同士の相対運動に分解することができる。ガイガー・マースデンの実験の場合のように、重い核により散乱される軽いアルファ粒子の場合、換算質量は基本的にアルファ粒子の質量となり、核は基本的に実験室系において静止することになる。

ビネ方程式に代入すると、次の飛跡方程式が得られる。

${\frac {\mathrm {d} ^{2}u}{\mathrm {d} \theta ^{2}}}+u=-{\frac {Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}mv_{0}^{2}b^{2}}}=-\kappa$

ラザフォード散乱の軌道

軌道の一般解を以下に示す。

$u(\theta )={\frac {1}{r(\theta )}}=u_{0}\cos(\theta -\theta _{0})-\kappa$