物理学物語（大人向け）

ジョゼフ・ジョン・トムソン：電子の発見が原子論を変えた

Tags: 物理学史, ジョゼフ・ジョン・トムソン, 電子, 陰極線, 原子物理学, 素粒子物理学, エレクトロニクス

序論：原子の不可分性への疑問

19世紀末、科学界では原子が物質を構成する最小単位であり、それ以上分割できないものであるという考え方が支配的でした。これは19世紀初頭にジョン・ドルトンが提唱した原子論の根幹をなす考えです。しかし、電気現象の研究が進むにつれて、原子の内部構造を示唆するような現象が観測されるようになります。特に、真空放電の研究で発見された「陰極線」の性質は、当時の物理学者たちの大きな関心事でした。

この記事では、イギリスの物理学者ジョゼフ・ジョン・トムソン（J.J.トムソン）が、いかにしてこの陰極線の正体を探り、原子の中に潜む、負の電荷を持った小さな粒子――「電子」を発見したのか、その道のりをご紹介します。この発見は、それまでの物理学の常識を根底から覆し、原子構造論の幕開けとなると同時に、20世紀以降の物理学と現代科学技術の発展に不可欠な一歩となりました。

J.J.トムソン：キャベンディッシュ研究所を率いた探求者

ジョゼフ・ジョン・トムソン（1856-1940）は、英国の物理学者です。ケンブリッジ大学のトリニティ・カレッジで学び、わずか28歳で、ジェームズ・クラーク・マクスウェルやレイリー卿といった錚々たる物理学者が所長を務めた、高名なキャベンディッシュ研究所の三代目所長に就任しました。彼は理論と実験の両面に長けた人物であり、その指導のもと、キャベンディッシュ研究所は20世紀初頭の物理学研究における世界的拠点となります。彼の教え子や助手からは、後にノーベル賞受賞者が7人も輩出されました。

トムソンの主要な研究テーマの一つが、気体中の電気伝導、特に陰極線の研究でした。当時、X線の発見など、放射線や放電現象への関心が高まっており、陰極線の性質を巡っては、それがエーテル中の波（ヘルツらの説）なのか、それとも荷電粒子の流れなのかで議論が分かれていました。

陰極線研究と「粒子」の証拠

陰極線は、真空にしたガラス管（クルックス管など）の陰極に高い電圧をかけると、陽極に向かって放出される光線です。この光線は、管壁に当たると蛍光を発し、途中に障害物を置くと影を作るといった性質を持っていました。

陰極線が荷電粒子の流れであると主張する立場は、陰極線が磁場によって曲がるという実験結果を根拠としていました。磁場中で荷電粒子はローレンツ力を受け、進行方向が曲がります。しかし、電場をかけても曲がらない、あるいは曲がりにくいという報告もあり、これは陰極線が帯電していない波であるとする説を支持するように見えました。当時の実験装置では、ガラス管内のわずかな残留ガスが電場を遮蔽してしまい、陰極線に正確な電場をかけることが難しかったのです。

決定的な実験：電場・磁場による偏向と質量電荷比の測定

J.J.トムソンは、この問題を解決するために、より高度な真空ポンプを用いて管内のガスを徹底的に排気し、陰極線に安定した電場をかけられるように工夫しました。そして1897年、彼は陰極線を用いた一連の巧妙な実験を行い、陰極線の正体が負に帯電した未知の粒子であることを決定的に示しました。

彼の実験の鍵となったのは、陰極線に対する電場と磁場による偏向を詳細に測定することでした。

  1. まず、陰極線に電場のみをかけ、その偏向の度合いを測定します。陰極線が負に帯電していれば、電場によって進行方向が曲がるはずです。トムソンは実際に偏向を確認し、陰極線が負電荷を持つこと、そして偏向の度合いから粒子の質量電荷比（m/q）に関わる情報が得られることを示しました。
  2. 次に、陰極線に磁場のみをかけ、その偏向を測定します。磁場による偏向の度合いからも、粒子の速度(v)と質量電荷比(m/q)に関わる情報が得られます。
  3. 最後に、電場と磁場を同時にかけ、それぞれの向きを調整して、陰極線が全く偏向しないようにしました。このとき、電場による力と磁場による力が釣り合っていることになります。電場による力は qE (電荷q × 電場E)、磁場による力は qvB (電荷q × 速度v × 磁場B) で表されるため、qE = qvB より、粒子の速度 v = E/B が求められます。

この方法で粒子の速度vを求め、電場または磁場による偏向の測定結果と組み合わせることで、トムソンはついに陰極線粒子の質量電荷比(m/q)を算出することに成功しました。

得られた質量電荷比は、電気分解の研究で知られていた最も軽いイオンである水素イオン（陽子）の質量電荷比と比較して、約1800分の1という非常に小さな値でした。これは、陰極線の粒子が、水素イオンよりも遥かに軽いか、あるいは遥かに大きな電荷を持っていることを意味します。他の様々な材料を陰極に使っても常に同じ質量電荷比が得られることから、トムソンはこの粒子が物質の種類によらず普遍的に存在するものだと確信し、これを「小体（corpuscle）」と名付けました。後に、この粒子は「電子（electron）」と呼ばれるようになります。

電子発見の衝撃と原子構造論への一歩

電子の発見は、当時の物理学界に大きな衝撃を与えました。ドルトンの原子論で不可分とされてきた原子が、より小さな粒子を含む「構造」を持つことが明らかになったからです。質量電荷比が水素イオンの約1800分の1であるという結果は、電子がそれまで考えられていた原子よりもはるかに小さく、かつ原子を構成する要素である可能性を示唆していました。

この発見を受けて、トムソンは原子の内部構造に関する最初のモデルを提唱しました。それが「ブドウパンモデル（またはプラムプディングモデル）」と呼ばれるものです。このモデルでは、原子全体は正電荷を持つ一様な球体（パンの部分）であり、その中に負電荷を持つ小さな電子（ブドウの部分）が埋め込まれていると考えられました。原子全体としては電気的に中性であると説明できます。

ブドウパンモデルは、その後のラザフォードによるアルファ線散乱実験によって否定され、原子核を中心とする惑星モデルへと進化していきますが、原子に内部構造があるという新しい考え方を提示した点、そして電子という素粒子の存在を明らかにした点で、物理学史における極めて重要な一歩となりました。この発見は、その後の原子物理学、量子力学、素粒子物理学といった20世紀物理学の新たな分野を切り拓く礎となったのです。

現代科学技術へのつながり：エレクトロニクスの根幹

J.J.トムソンが発見した電子は、単に物理学の理論を変えただけでなく、現代の科学技術、特にエレクトロニクス分野において不可欠な存在です。

J.J.トムソンの研究は、目に見えないミクロの世界に存在する粒子の発見から始まりましたが、その成果は現代社会の技術基盤を文字通り「電子」が支える形として結実しています。

結論：新たな物理学の幕開け

ジョゼフ・ジョン・トムソンによる電子の発見は、19世紀末の物理学における古典的な世界観に終止符を打ち、20世紀の量子論へと繋がる新しい時代の幕を開けました。原子が分割できない最小単位であるという長年の常識を覆し、物質の究極的な構成要素への探求を加速させたこの発見は、物理学史上の画期的な出来事です。

彼の陰極線研究から生まれた電子という概念は、その後の多くの物理学者たちの研究対象となり、原子核、素粒子といった更なる微小世界の探求へと繋がっていきました。そして、このミクロの世界の理解が進むにつれて、それは私たちの日常生活を根底から変える様々な技術、特に現代のエレクトロニクスを生み出す源泉となったのです。J.J.トムソンの好奇心と実験技術がもたらしたこの大発見は、まさに科学的探求が世界をどのように変え得るかを示す好例と言えるでしょう。