原子物理分野の本格更新は波動分野の更新完了以降の予定です。
原子物理学の歴史
19世紀後半、電磁気学が完成して自然界の多くの現象が説明できるようになったが、物質の内部構造や光の本質にはなお多くの謎が残されていた。
ここからの約100年にわたる探究が、光や物質がもつ粒子性と波動性の二重性、原子の構造、エネルギーの量子化、そして核エネルギーの理解へとつながり、20世紀物理学の礎を築くことになる。
1. 陰極線と電子の発見 ― 真空の中の光る線
19世紀後半、放電管の中に現れる発光現象「陰極線」が注目された。
1897年、トムソンが磁場と電場を用いて陰極線を調べ、これが負の電荷をもつ微小粒子(電子)であることを突き止めた。
これにより、原子が物質の最小単位ではなく、内部に電子をもつ構造体であることが明らかになった。
2. 電子の比電荷と電気素量 ― 電気の最小単位
トムソンは磁場と電場を組み合わせた装置を用い、電子の比電荷（電荷÷質量）を精密に測定した。
1909年、ミリカンが油滴実験によって電子1個の電荷(電気素量)を測定し、電気が離散的な量であることを確認した。
この二つの成果から電子の質量も算出され、原子内部に極めて軽い粒子が存在するという像が確立した。
3. 光は波か、それとも粒か ― 二つの真理の衝突
19世紀末、マクスウェル方程式によって光が電磁波であることが確立し、ニュートンが唱えた光の粒子説は完全に過去の遺物となっていた。
しかし、20世紀初頭に発見された光電効果という現象は、波の理論では説明できなかった。
1900年、プランクは黒体放射の解析から、エネルギーは連続量ではなく「量子」という最小単位を持つ離散量であると提案した。
1905年、26歳のアインシュタインが光量子(フォトン)という概念を用いて光電効果を完璧に説明してみせた。
光は波でありながら、同時に粒でもある。
この光の二重性という大胆な発想は、
波と粒という相反する真理を対立ではなく共存として捉える道を開き、
「矛盾するものを両立として理解する」という人類の思考の成熟そのものを示している。
同じ1905年、アインシュタインは光速度の不変性を基礎に特殊相対性理論を発表し、空間と時間を再定義した。
光を粒として捉える光量子仮説と波として捉える相対性理論の二つの理論は、異なる問題を扱いながらも「光こそ自然の根源」という共通の思想に貫かれていた。
さらに、特殊相対性理論の論理的帰結として E = mc²（質量mとエネルギーEの等価性）を導いた。
これらのアインシュタインの思索は、やがて原子核の内部に眠る莫大なエネルギーの扉をも開くことになる。
1905年は後に「奇跡の年」と呼ばれ、量子論と相対論という二つの革命が同時に芽生えた、近代物理の夜明けとなった。
4. 原子模型と波動性の発見 ― 粒も波になる
1911年、ラザフォードがα粒子散乱実験により原子核の存在を発見し、電子がその周囲を回る惑星型模型を提案した。
1913年、ボーアは電子が特定の軌道だけを回ると仮定し、水素原子のスペクトル系列を理論的に説明した。
1922年にはフランク・ヘルツ実験で電子のエネルギー準位が離散的であることが実証された。
1923年、コンプトンがX線散乱で光の粒子性を確認した。一方、ド・ブロイは逆に「物質にも波動性がある」と提唱し、1927年の電子回折実験でこれが証明された。
波と粒の二重性は、あらゆる粒子の根源的な性質であることが明らかになった。
5. 放射性崩壊と原子核反応 ― 一瞬で消えた街
1896年のベクレルによる放射線の発見、キュリー夫妻のラジウム研究を経て、
原子核が自発的に変化する放射性崩壊が知られるようになった。
1938年、ハーンとマイトナーはウランが中性子の衝突によって分裂し、莫大なエネルギーを放出する核分裂反応を発見した。
このとき放出されるエネルギーは、アインシュタインの式 E = mc² に従い、わずかな質量が莫大なエネルギーに変換されることで説明された。
奇跡の年からちょうど40年後の1945年8月、わずか1gにも満たない質量が一瞬で莫大な光と熱のエネルギーへと変換され、広島と長崎の街を消し去った。
質量とエネルギーの等価性が、原子爆弾という人類史上最も悲劇的な形で実証された瞬間であった。
一方で、核分裂の制御による原子力発電は、現代社会のエネルギー源となっている。
また、太陽や恒星の内部では逆に軽い原子核が融合する核融合反応が自然に起こり、宇宙のエネルギー源となっている。
こうして、原子核の中に潜むエネルギーは、人類にとって「破壊」と「創造」の両義的な力として姿を現したのである。
6. 素粒子と4つの力 ― 物質の究極構造
20世紀後半、物質のさらに深い階層にある素粒子の研究が進み、陽子や中性子が3つのクォークからなることが明らかになった。
自然界のすべての現象は、重力・電磁力・弱い力・強い力という4つの基本相互作用に支配されている。
これらを統一的に理解しようとする試みが、現代物理学の最前線となっている。
7. 原子物理学が教えるもの
このように、電子の発見から光量子仮説、原子核反応、そして素粒子の世界に至るまでの研究の積み重ねが、現在の原子物理学を形づくってきた。
なぜ光は電気を生み出すのか、なぜ原子から色鮮やかなスペクトルが現れるのか、なぜ太陽が燃え続けるのか、なぜわずかな質量から莫大なエネルギーが生まれるのか――これらの問いはすべて原子物理学の原理で説明できる。
高校物理で扱う内容は、この長い歴史の中で生まれた“原子物理学の核心”となる部分を抜き出したものである。
ここから学ぶ基礎は、入試での得点力を超え、我々が暮らす世界の成り立ちそのものを理解する力となる。