原子の存在をどうやって知ったか？
ポール・M・サッターはオハイオ州立大学の宇宙物理学者で、「宇宙人に聞く」「宇宙ラジオ」の司会、「宇宙におけるあなたの場所」（プロメテウス・ブックス、2018）の著者である。 サッターはこの記事をSpace.comのExpert Voicesに寄稿しています。 Op-Ed & Insights.
1808年に、化学者のジョン・ダルトンは非常に説得力のある議論を展開し、驚くべき実現に至りました。 おそらく、すべての物質（つまり、もの、こと、物体）は、小さな、小さなビットでできているのです。 基本的なビット。 インディビジュアル・ビット。 アトミック・ビット（Atomic bit）。
この概念は、数千年の間、浮かんでは消えていました。
この概念は、数千年の間、ぼんやりと浮かんでいました。古代文化は、物質がより基本的な要素で構成されているという一般的な考えを確かに知っており (何を正確に要素としてカウントするかについてはかなり意見が分かれていましたが)、これらの要素が興味深い実りある方法で結合して椅子やビールといった複雑なものを作ることを知っていたのです。 しかし、そのような数千年の間にも、疑問は消えなかった。もし私が一つの元素を分離し、それを半分に切り、さらにその半分を半分に切り、それを繰り返していたら、やがて私がもう切ることができない最小の元素を見つけることができるのだろうか？ それとも無限に続くのでしょうか。
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何年もかけて慎重に調べた結果、ダルトンは元素の間に驚くべき関係があることを発見しました。 スズと酸素がそうであるように、2 つの元素が異なる比率で複数結合して、さまざまな化合物を形成できることがあるのです。 しかし、さまざまな組み合わせにおける各元素の比率は、常に非常に小さな数字に還元されるのです。 もし、物質が無限に分割可能で、最小のビットもないのなら、どんな割合も許されるはずだ。
そのかわり、ある元素のある量が別の元素の同量と結合する可能性があることを発見したのです。
そのかわり、ある元素の一定量が別の元素の同量と結合したり、別の元素の2倍や3倍と結合することを発見しました。 ダルトンは、どこでも、どんな場合でも、単純な比率しか見いだせなかったのです。
物質が究極的に分割できないものであり、原子でできているなら、元素を組み合わせる際には単純な割合と比率しか許されないでしょう。
100年後、物質に関するこの「原子」理論は完全に無意味であるとは思えませんでした。 しかし、最も困難なことの 1 つは、もし原子が本当に存在するならば、目に見えないほど小さすぎるということでした。
原子の存在を証明する1つの手がかりは、新しく確立された熱力学の研究から得られました。 熱機関の仕組みを理解するために、温度、圧力、エントロピーなどの付随するすべての概念とともに、物理学者は、気体や流体を、ほぼ無数の小さな、さらには微小な粒子から構成されているかのように見ることができることに気付きました。
これは非常に説得力があり、アルバート・アインシュタインは、この種の物理学の大ファンでした。
これは非常に説得力があり、アルバート・アインシュタインはこの種の物理学の大ファンでした。
彼は特に、1827年にロバート・ブラウン（これが名前の由来です）によって初めて記述されたブラウン運動の問題に興味を持ちました。
彼は特に、1827年にロバート・ブラウン（この名前に由来する）によって初めて記述された、ブラウン運動の問題に興味を持ちました。 いくつかの実験を注意深く行った後、ブラウンはこれが空気や流体の流れとは無関係であることに気がついた。
ブラウン運動は、人生のランダムな説明のつかない事実のひとつにすぎませんでしたが、アインシュタインはその中に手がかりを見いだしたのです。 流体を原子で構成されるものとして扱うことで、流体の粒子による無数の衝突が、その粒をどれだけ揺り動かすかの公式を導き出すことができたのです。
言い換えれば、アインシュタインは私たちに原子の重さを量る方法を与えてくれたのです。
これらの「連合体」
そして、人々がこれらの極小の物質の大きさに慣れ、これらが可能な限り最小のものに違いないと考えたとき、誰かがそれを複雑化するためにやってきました。 1800年代後半、彼は陰極線と呼ばれる幽霊のような光線に魅了されました。 ガラス管の中に電極を2本入れ、空気を抜いてから電極の電圧を上げると、電極の片方（正確には陰極）から発せられるような発泡性の光が得られるのである。
この現象は、物理学者たちに疑問を投げかけました。 何が発光するのか？ 当時、電気と関係があることは知られていたが、それ以外は謎に包まれていた電荷は、どのようにしてその光に結びついたのだろうか。 トムソンは、a)史上最高の真空管を作り、b)その装置全体を超強力な電界と磁界の中に押し込むことによって、その謎を解き明かした。
そして、彼らは耳を傾けたのです。
そして、その通りになった。陰極線は電場と磁場の両方の影響を受けて曲がったのである。 面白い！」。 もし光が電荷から何らかの形で分離しているならば、電界の干渉に関係なく、光はまっすぐに通り抜けていくでしょう。
電場と磁場での光線の偏向量を比較することで、トムソンはいくつかの計算を導き出し、これらの電荷の特性を計算することができたのです。 そして、ここでJ.J.はノーベル賞を受賞したのです。 この「コーパス」（彼の言葉）は、既知の元素の中で最も軽く、したがって最も小さな原子である水素の約2,000分の1の大きさであった。
銀と金
トムソンの結果によって生じたパズルを解決するのは、次の世代の科学者たちでした。 最も重要なことは
トムソンの元生徒アーネスト・ラザフォードは、彼の生徒ハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンと共に、金に向けて物質を発射し、何が起こるか見ることにしました。 金を選んだのは、非常に薄いシートが作れるからで、原子物理学を探求しているという安心感があった。 そして、ヘリウムの電荷を帯びた原子であるアルファ粒子という、非常に小さな弾丸を撃ち込んだ。
研究者たちが射撃の練習をすると、アルファ粒子のほとんどは、まるでティッシュペーパーであるかのように金塊を通過していきました。
研究者たちが射撃の練習をしていると、ほとんどのアルファ粒子は、まるでティッシュペーパーのように金塊を通過していきました。しかし、時折、粒子がランダムな方向に飛んでいくことがありました。 そして、ごくたまに (2万発に1発程度。科学者たちは手作業で数えました)、アルファ粒子が金塊から跳ね返って、来た道を戻っていきました。
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このような実験が行われていたとは驚きです。 この小さな粒子は、金原子について何を語っていたのでしょうか。 研究者たちは、原子の質量の大部分が非常に小さな体積に集中しているというのが、唯一納得のいく説明であると結論づけました。 そして、この「核」が正の電荷を帯びているに違いない。 原子の全電荷は中性でなければならないので、電子は非常に小さく、その原子核の周りを緩い雲のように回っているか、踊っているか、泳いでいるに違いない。
そのため、アルファ粒子が吹き抜けると、ほとんどの場合、ただの空っぽの空間に遭遇することになります。
こうして、ダルトンが不可分の原子の存在を決定的に論じてからほぼ 100 年後、アインシュタインが原子を直接測定する方法を提供すると同時に、トムソンとラザフォードは、原子がまったく不可分ではないことを発見したのです。 その代わり、原子はもっと小さな断片でできていたのだ。
つまり、原子論が確立されると同時に、素粒子の世界を初めて知ることができたのです。
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さらに詳しい情報は「物が原子でできているとどうやってわかったのか」をお聞きください。「というエピソードを、iTunes および http://www.askaspaceman.com で配信しています。 この記事のきっかけとなる質問をくれたBill S.さんに感謝します。 Twitterで#AskASpacemanを使って質問するか、Paul @PaulMattSutter と facebook.com/PaulMattSutter をフォローして、自分の質問をお寄せください。
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