原子と現代の物理

物理の「電子と光」の単元では、光が波であると同時に、粒(光子)の集まりでもあることを学びます。光子 1 個のエネルギーは、光の色、つまり波長で決まります。波長が短いほどエネルギーは大きく、赤い光より青い光、青い光より紫外線のほうが大きくなります。

学習指導要領の解説には、箔検電器を使う実験が例に挙がっています。上に金属板をのせて負の電気をため、紫外線を当てると、金属から電子が飛び出して箔が閉じます。これが光電効果です。亜鉛板なら、赤い光をどれほど強くしても箔は閉じません。1905 年、アインシュタインは、光は粒で、1 粒ずつ電子にエネルギーを渡すと考えて、このふしぎを説明しました。

日焼けも同じ考え方で説明できます。環境省の資料によると、肌が赤くなる日焼け(サンバーン)は目に見えない紫外線によるもので、暑さを感じるのは赤外線によるものです。計算してみると、波長 1,000 nm の赤外線の光子 1 個のエネルギーは、波長 300 nm の紫外線の 3 分の 1 ほどです。たくさん浴びれば温かくなりますが、肌の中の分子を変化させるには、1 粒の力が足りないのです。

LED でも、この関係を確かめられます。青い LED は、赤い LED より高い電圧をかけないと光りません。光子 1 個に、より大きなエネルギーを渡す必要があるからです。解説では、光電管や発光ダイオードを使ってプランク定数を求める実験も、例に挙げています。

物理の「原子と原子核」の単元では、原子のつくりを、歴史的な実験の資料をもとに学びます。中心になるのが、ニュージーランド生まれの物理学者ラザフォードの研究室で行われた、α 線を薄い金属のはくに当てる実験です。

ほとんどの α 線は、はくを素通りしました。ところが、ごくまれに、来た方向へはね返るものがありました。ラザフォードは、原子の重さのほとんどとプラスの電気が、中心の小さな芯に集まっていると考えました。1911 年に発表された原子核の考えです。ラザフォードはその前の 1908 年に、放射性物質の研究でノーベル化学賞を受けています。

文部科学省の放射線副読本によると、原子の大きさは約 1 億分の 1 cm、原子核は約 1 兆分の 1 cm です。原子を直径 100 m の球まで広げても、原子核は直径 1 cm ほどです。野球場の真ん中に、ビー玉より小さな粒が 1 つあるようなものです。α 線の多くが素通りしたのは、原子の中がほとんどすき間だったからです。

原子核のまわりの電子は、とびとびのエネルギーしかとれません。電子が高いエネルギーから低いエネルギーに移ると、その差に当たる光子が 1 個出ます。元素ごとに決まった色の光(スペクトル)が出るのはこのためで、高校ではボーアの原子モデルでこのしくみを学びます。

物理基礎の「エネルギーとその利用」と物理の「原子核」では、不安定な原子核が放射線を出して、別の原子核に変わることを学びます。α 線はヘリウムの原子核、β 線は原子核から飛び出した電子、γ 線は波長のとても短い電磁波です。

種類によって、物を通り抜ける力(透過力)が違います。α 線は紙 1 枚で止まり、β 線はアルミニウムなどの薄い金属板で止まります。γ 線や X 線は鉛や鉄の厚い板で、電気を持たない中性子線は水やコンクリートのように水素を含む物質で弱めます。種類に合わせて止め方を選ぶのが、放射線を安全に使う基本です。

量を表す単位は、ベクレル(Bq)とシーベルト(Sv)がよく使われます。ベクレルは放射性物質が放射線を出す能力の大きさ、シーベルトは人の体が受けた放射線の影響の度合いです。副読本は、放射線を光にたとえると、放射性物質は電球、放射線を出す能力は光を出す能力にあたると説明しています。

放射線は身の回りにもあります。日本で暮らす人が自然から受ける放射線は、年間平均 2.1 ミリシーベルトです。内訳は食べ物から 0.99、空気中のラドンなどから 0.47、大地から 0.33、宇宙から 0.3 です。関西地方は、放射性物質を比較的多く含む花こう岩が多いため、関東地方より 2〜3 割ほど多くなっています。