資料置場 発見の歴史（物理学）

量子論の発見

https://sites.google.com/site/hakkennorekishibutsurigaku/

量子論の発見　　～前期量子論～

1929年

ルイ・ド・ブロイ 物質波の発見 1922年

ニールス・ボーア 原子構造とその放射に関する研究 1927年

アーサー・コンプトン 光の粒子性を示すコンプトン効果の発見

チャールズ・ウィルソン 蒸気の凝縮により荷電粒子の飛跡を観察できるようにする方法

（霧箱）の研究 1918年　マックス・プランク

エネルギー量子の発見による 物理学の進展への貢献

1921年　アルベルト・アインシュタイン 光電効果の法則の発見 等

光は『粒子』かも

光は『粒子』だよ

電子は『波』かも

電子は『波』だよ 光は『粒子』だよ

『量子』現象の発見

1917年 チャールズ・バークラー 元素の特性X線の発見

マルチメディアで見る原子・分子の世界より

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0030/atom_top.html

可視光で見られたスペクトルのように、 元素から特定のX線が出ている事 を発見。

1913年 ヘンリー・モーズリー

特性X線の振動数が原子番号の平方根に比例する事を発見

『モーズリーの法則』の発見

特定X線を調べる事で、原子構造を明らかにできる。

元素の周期

HH He_He

LiLi Be_Be B_B C_C N_N O_O F_F Ne_Ne NaNa Mg_Mg Al_Al Si_Si P_P S_S Cl_Cl Ar_Ar

KK Ca_Ca Sc_Sc Ti_Ti V_V Cr_Cr Mn_Mn Fe_Fe Co_Co Ni_Ni Cu_Cu Zn_Zn Ga_Ga Ge_Ge As_As Se_Se Br_Br Kr_Kr RbRb Sr_Sr Y_Y Zr_Zr Nb_Nb Mo_Mo Tc_Tc Ru_Ru Rh_Rh Pd_Pd Ag_Ag Cd_Cd In_In Sn_Sn Sb_Sb Te_Te I_I Xe_Xe CsCs Ba_Ba -_- Hf_Hf Ta_Ta W_W Re_Re Os_Os Ir_Ir Pt_Pt Au_Au Hg_Hg Ti_Ti Pb_Pb Bi_Bi Po_Po At_At Rn_Rn FrFr Ra_Ra -_- Rf_Rf Db_Db Sg_Sg Bh_Bh Hs_Hs Mt_Mt Ds_Ds Rg_Rg Uub_Uub Uut_Uut Uuq_UuqUup_UupUuh_Uuh Uuo_Uuo

LaLa Ce_Ce Pr_Pr Nd_Nd Pm_Pm Sm_Sm Eu_Eu Gd_Gd Tb_Tb Dy_Dy Ho_Ho Er_Er Tm_Tm Yb_Yb AcAc Th_Th Pa_Pa U_U Np_Np Pu_Pu Am_Am Cm_Cm Bk_Bk Cf_Cf Es_Es Fm_Fm Md_Md No_No

LuLu LrLr

質量で並べるなら Fe→Ni→Co→Cu

なのに、元素の性質で並べると Fe→Co→Ni→Cu

となる。（原子質量の逆転現象） 質量で並べるなら

Fe→Ni→Co→Cu

なのに、元素の性質で並べると Fe→Co→Ni→Cu

となる。（原子質量の逆転現象）

原子番号（陽子数・電荷）で並べると、43番、61番が欠番。 後に　人工的に元素がつくられた。(1937年テクネチウム)

モーズリーの法則の発見から 明らかになった事

元素の周期表について

メンデレーエフの最初の周期表(1869年)

数ヶ月後にはドイツのJ・L・メイヤーが 独自に事実上同一の表を発表

1906年　ノーベル化学賞にノミネート されるが、受賞を逃す

原子量の順にならべる 周期性が現れる

原子量の大きさが元素の性質を決める

・・・

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Mendeleev_Table_5th_II.jpg

最初の英語版の周期表

閑話休題

1917年 チャールズ・バークラー 元素の特性X線の発見

マルチメディアで見る原子・分子の世界より

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0030/atom_top.html

可視光で見られたスペクトルのように、 元素から特定のX線が出ている事 を発見。

1913年 ヘンリー・モーズリー

特性X線の振動数が原子番号の平方根に比例する事を発見

『モーズリーの法則』の発見

特定X線を調べる事で、原子構造を明らかにできる。 未発見の元素の予言。

ノーベル賞の候補にあがったが、『若い』という理由で持ち越しになったとか... モーズリーは1915年、27歳という若さで戦死。

『モーズリーの法則』の発見は若干25歳。

ローレンス・ブラッグ（25歳）という例もあったのに・・・

もう一度横道にそれて

1924年 マンネ・シーグバーン X線分光学における発見

1913年 ヘンリー・モーズリー

特性X線の振動数が原子番号の平方根に比例する事を発見

『モーズリーの法則』の発見

一方でモーズリーは

1915年のダーダネルス海峡上陸作戦で戦死 上陸作戦の責任者　ウィンスントン・チャーチル

→ 1953年　ノーベル平和賞

ほんとうに閑話休題：フランク・ヘルツの実験

1925年 ジェイムス・フランク、グスタフ・ヘルツ 原子と電子の衝突に関する研究

http://blogimg.goo.ne.jp/user_image/48/20/2cce2a5cba2e243864fb8c1f48236534.png

・　陰極線・電流　　電子のあつまり

・　電子と原子との衝突で電子が失うエネルギー 原子のエネルギー準位間のエネルギー差

（原子スペクトル・特性X線）

・　電流量が電圧によって山をつくる

電圧の変化＝電子のエネルギー変化

・　電子と原子が衝突すると、電子を失う 電流量の変化＝衝突の数

・　衝突により、原子のエネルギー準位が変化 特定のエネルギーをもつ電子だけが

衝突に関与

・　ボーア模型の検証

・　エネルギーがあわないと衝突が起きない

ジェイムズ・フランクについて

第一次世界対戦中 毒ガス研究

前線での従軍

ナチスのユダヤ人に対する扱いに抗議 アメリカに亡命

1942年　マンハッタン計画への参加要請

原爆完成時の政府高官への進言を要求し、参加 1945年6月

「原子エネルギーの政治的および社会的諸問題委員会」 の報告書をスチムソン長官に提出。（委員長）

フランクレポート

・　日本に対する原爆の使用は望ましくない

・　原爆使用による国際信用の喪失

・　世界中に恐怖と反感の波を生む

ある科学的な発見や発明が人類 の利害にとって重大な関わりがあ るとみなされるとき、それにいち早 く気づいた科学者には、それを何 らかの形で人々に知らせ、適切な 方策を採るように勧告する責任が ある

科学者の社会的責任

ただ道徳律を信じただけでなく、 道徳律そのものを生きた小数の 人間の一人

ラビノウィッチ

元素の周期表の解明：　二つの重要な発見

HH He_He

LiLi Be_Be B_B C_C N_N O_O F_F Ne_Ne NaNa Mg_Mg Al_Al Si_Si P_P S_S Cl_Cl Ar_Ar

KK Ca_Ca Sc_Sc Ti_Ti V_V Cr_Cr Mn_Mn Fe_Fe Co_Co Ni_Ni Cu_Cu Zn_Zn Ga_Ga Ge_Ge As_As Se_Se Br_Br Kr_Kr RbRb Sr_Sr Y_Y Zr_Zr Nb_Nb Mo_Mo Tc_Tc Ru_Ru Rh_Rh Pd_Pd Ag_Ag Cd_Cd In_In Sn_Sn Sb_Sb Te_Te I_I Xe_Xe CsCs Ba_Ba -_- Hf_Hf Ta_Ta W_W Re_Re Os_Os Ir_Ir Pt_Pt Au_Au Hg_Hg Ti_Ti Pb_Pb Bi_Bi Po_Po At_At Rn_Rn FrFr Ra_Ra -_- Rf_Rf Db_Db Sg_Sg Bh_Bh Hs_Hs Mt_Mt Ds_Ds Rg_Rg Uub_Uub Uut_Uut Uuq_UuqUup_UupUuh_Uuh Uuo_Uuo

LaLa Ce_Ce Pr_Pr Nd_Nd Pm_Pm Sm_Sm Eu_Eu Gd_Gd Tb_Tb Dy_Dy Ho_Ho Er_Er Tm_Tm Yb_Yb AcAc Th_Th Pa_Pa U_U Np_Np Pu_Pu Am_Am Cm_Cm Bk_Bk Cf_Cf Es_Es Fm_Fm Md_Md No_No

LuLu LrLr

2個 8個 8個

パウリの排他原理

1945年 ヴォルフガング・パウリ

パウリの排他原理の発見 パウリの排他原理 （1925年）

同じ量子数の準位には、一つの電子しか入れない

→　原子のある軌道に入る事のできる電子の数が決まる

同じ軌道でも、異なる量子数の電子は存在可能

1つの『軌道』が異なる量子数の準位を含む事がある 多分一番分かり易い例：　ひとつの椅子には一人が座れる

椅子 → 『準位』 人 → 『粒子』

異なる量子数の電子が、同じエネルギー準位を占める事を　

『縮退』　という。（ある性質を見ると違う状態なのに、エネル ギーとしては同じ状態）

悪例）　大阪から見ると、『宮城』と『山形』は縮退している

テーブル → 『軌道』 椅子 → 『準位』

電子の「スピン」の発見

1925年 ジョージ・ウーレンベック、サミュエル・ゴーズミット 電子が『自転』しながら、原子核のまわりを回る事を仮定

この電子の『自転』を　スピン　と命名

ノーベル賞には至らず...

パウリが反対したとかしないとか... 地球のまわりを月が『自転』しながら『公転』

太陽のまわりを地球が『自転』しながら『公転』 するように、

原子核のまわりを電子が『自転』しながら、 電子軌道上を『公転』

すると考えると、原子の構造を非常にうまく 説明できる。

電子が『自転』すると、一体なにが起きるのか？

電荷の回転（回転電流）と磁気モーメント

電磁石

回転電流　→　磁気モーメント　（磁石の強さ） 表面に電荷をもつ物体が

自転する

→　電磁石と同じく磁気モーメントが発生

電子の場合：

電子は大きさのない粒子だが、 電子の自転『スピン』が、

電子の磁気モーメントを作る

物質の磁化と電子の磁気モーメント

電子の磁気モーメントが同じ方向に揃う　→　物質が磁化する　（磁石になる）

電子の磁気モーメントの振る舞いが、物質の磁気的性質を決定する

電子磁気モーメントの量子化

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ja/a/ a5/Stern-Gerlach_experiment.png

1922年　シュテルン=ゲルラッハの実験 量子化された電子の磁気モーメントの発見

不均一磁界

磁気モーメントの大きさ（方向）によって、 粒子は上（もしくは下）に曲げられる

銀の原子の磁気モーメント

銀原子中の電子の磁気モーメントで 作られる（磁石と同じ）

予想： 電子のもつ磁気モーメントの大きさによって、スクリーンの陰は上下に伸びる 電子の磁気モーメントは様々な大きさ・向きを持つ

結果： スクリーン上の陰は上下『二つ』に分離

電子は離散的な磁気モーメントを持つ →　　磁気モーメントの量子化 磁気モーメント＝スピン： 電子のスピンは　二つの離散的な値をとる

電子のスピン：　量子化された自転

自転が　『二つ』　の状態をとるということは

右回り ^左回り

回転方向

『スピン』の向き 上向き ^下向き

『スピン』の値

_

1

2 ⁻

1

2

元素周期の解明

1945年 ヴォルフガング・パウリ パウリの排他原理の発見

1925年 ジョージ・ウーレンベック、サミュエル・ゴーズミット 電子が『自転』しながら、原子核のまわりを回る事を仮定

この電子の『自転』を　スピン　と命名 1922年　シュテルン=ゲルラッハの実験 量子化された電子の磁気モーメントの発見

・　電子は　『スピン』　という自由度を持つ

・　電子の『スピン』は二つの離散的な値を持つ 例えば、上向き・下向き

・　電子は、原子核周りの軌道を周回する

・　ボーアの量子化条件を満たす定常状態 　　をとる（エネルギー準位）

・　一つの準位に同じ量子数をとる電子は 　　複数存在できない

元素の周期律

量子数(n) ^{殻 軌道}

1 K殻 1s

2 L殻 2s 2p 3 M殻 3s 3p 3d

+

定常状態をつくり、電子がそれぞれの軌道を埋める構造 原子の『殻構造』という

（太陽系内の惑星も似たような構造といえば構造） 量子数の小さいもの →　内側の殻

軌道

電子の周回軌道の形を決める。 s → p → d → f → g → ....

とつづく。数字では l = 0, 1, 2 ... が使われる 軌道の数は

1 → 3 → 5 → 7 →

と 2 l + 1 の関係を持つ。 量子数

量子数の分だけ、電子がとる事のできる

軌道が存在する。（s軌道から順に） ^{電子の『スピン』}

上向き、下向きの2通り

電子の軌道

軌道 _{s p d f}

量子数(n) ^{殻 軌道 電子の数}

1 K殻 1s 2

2 L殻 2s 2p 2 + 6 = 8

3 M殻 3s 3p 3d 2 + 6 + 10 = 18

軌道と軌道の数

s p d f g

1 3 5 7 9

エネルギーの高さと軌道の関係 7s 5f 6d 7p

6s 4f 5d 6p 5s 4d 5p 4s 3d 4p

3s 3p

2s 2p

1s

エネルギー大

エネルギー大

K ^1s 2s 2p L

K 1s 2s 2p L

元素の周期律と電子軌道

原子構造の解明

1922年

ニールス・ボーア 原子構造とその放射に関する研究

1945年 ヴォルフガング・パウリ パウリの排他原理の発見

1925年 ジョージ・ウーレンベック、サミュエル・ゴーズミット 電子が『自転』しながら、原子核のまわりを回る

1922年　シュテルン=ゲルラッハの実験 量子化された電子の磁気モーメントの発見

K 1s 2s L 2p

K 1s 2s L 2p

1925年 ジェイムス・フランク、グスタフ・ヘルツ 原子と電子の衝突に関する研究

1924年 マンネ・シーグバーン X線分光学における発見

1913年 ^{ヘンリー・モーズリー}

『モーズリーの法則』の発見

粒子の磁気モーメントへの興味・理解・応用

1943年 オットー・シュテルン

原子線法の開発と陽子の磁気モーメントの発見

1944年 イジドール・イザーク・ラビ

共鳴法による原子核の磁気モーメントの測定法の発見

・ シュテルン＝ゲルラッハの内の一人

・ 量子化された電子の磁気モーメントの発見につづいて、 陽子の磁気モーメントの測定に成功

・ 原子線磁気共鳴法の確立

『磁気共鳴』　とはなんだろうか?

磁気モーメントと原子構造

1902年 ヘンドリック・ローレンツ、^{ピーター・ゼーマン} 放射に対する磁場の影響の研究

ローレンツ力

陰極線が磁場により受ける力

1896年 ナトリウム原子を磁場の中で発光させた時、 そのD線スペクトルが複数に分かれる事を発見

マルチメディアで見る原子・分子の世界より

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0030/atom_top.html

磁場なし

磁場中

光を放射している粒子（電子）

の比電荷が1/1600である事を決定

（現在の値　1/1836）

『ゼーマン効果』の発見

ゼーマン効果ってなに？

安定 不安定

二つの磁石を近づけると ^{磁場中では}

不安定 安定

磁場に対し、

磁気モーメントが同じ向きの場合　安定

磁場中では、磁場に対する磁気モーメントの向きで、エネルギー準位のエネルギーに差が生まれる 磁気モーメントの向き　→　スピンの向き

ゼーマン効果

磁場中では、磁場に対する磁気モーメントの向きで、エネルギー準位のエネルギーに差が生まれる 磁気モーメントの向き　→　スピンの向き

ナトリウムの場合

D線

磁場なし ^磁場あり

磁場によるエネルギー準位の分離

（ゼーマン効果）により、 D線スペクトルが分裂する。

磁気共鳴

磁気モーメントを持つ粒子を磁場中におくと、ゼーマン効果が生じエネルギー準位は分離

or

エネルギーを放出 光・電磁波

エネルギー差に相当するエネルギーを外部から供給

→　下の準位にある電子は上の準位に遷移

→　磁気モーメントの向き（スピンの向き）が反転する

磁気共鳴

古典的な磁気共鳴の理解

回転体　＝　コマ

コマは重力の下で歳差運動を行う 電荷の回転　＝　磁気モーメント

磁気モーメントをもつ物体は、磁場の下で歳差運動を行う ラーモア歳差運動

ラーモア歳差運動をしている回転体に

・ 横向きに回転磁場を与える

・ 歳差運動の軸が次第に傾き

・ 最終的に歳差運動の軸が反転する。

・ 反転は歳差運動の周期と横向き磁場の 周期が同期した時に起きる

横向きの磁場

＝　外部から与えるエネルギー 重力

床からの抗力

磁場による力 ゼーマン効果

磁気共鳴の応用

MRI Magnetic Resonance Imaging 核磁気共鳴画像法

水素原子の原子核（陽子）の磁気共鳴を利用し、

体内の主に水(H₂O)の分布を精密に測定　→　断層画像を得る

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/MRI_brain.jpg

2003年 ノーベル生理学・医学賞

ポール・ラウターバー、ピーター・マンスフィールド 核磁気共鳴画像法に関する発見

http://pothi.blog.so-net.ne.jp/_images/blog/_1e8/pothi/m_me_mri_1.jpg

原子線磁気共鳴法

1944年 イジドール・イザーク・ラビ

共鳴法による原子核の磁気モーメントの測定法の発見

・ 原子線磁気共鳴法の確立

原子線磁気共鳴法

高周波磁場の周波数を変え て原子線の偏行を調べ、 共鳴周波数を求めることに よって、

原子核の核磁気モーメントを 精度よく求める手法。

「スピンと偏極 　久保 謙一, 鹿取 謙二」より抜粋

電子のスピン：磁性に関する最近の話題

2007年 ペーター・グリュンベルク、アルベール・フェール

「巨大磁気抵抗」の発見がもたらした技術的革新

ハードディスクドライブ(HDD)は、今やなくてはならない製品 たとえパソコンを使わない人でも

録画機能のあるテレビ ブルーレイ、DVDデッキ プレイステーション

の中にはハードディスクがあります。最近あまり持っている人はいないかもしれ ませんが、iPod ClassicもHDDが内蔵されています。

インターネット上でのオンラインサービスの普及は、膨大なデーターの蓄積の上 に成り立っています。

HDDに関する技術革新なしでは、現在の世界は成り立っていないでしょう。

別の機会に紹介します（次週？）

スピンに関する話題

『粒子』は『スピン』という自由度をもつことが明らかになってきました。

電子　は +1/2（上向き）、-1/2（下向き）　のスピンをもつ ^{陽子・中性子も同じ} 光子　は +1、 (0)、-1 のスピンをもつ

パウリの排他原理

『スピンが半整数の粒子に対して働く原理』　

→　フェルミ粒子

スピン整数の粒子は 『同じ準位』　を　『複数の粒子』　で占める事ができる。

→　ボーズ粒子（ボース粒子）

整数スピンを持つ粒子は、非常に不思議な振る舞いを見せる事がある 超伝導

超流動

ボーズ・アインシュタイン凝縮

→　　ノーベル物理学賞

→　　こちらについてもあらためて紹介