原子のイメージ、ホントは違う？ ボーアが覆した「太陽系モデル」の常識

太陽系モデルの限界──電子はなぜ落ちないのか？

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原子のイメージといえば、中心に原子核があって、その周りを電子がくるくる回っている――まるで太陽系のような姿を思い浮かべる方が多いのではないでしょうか。サイエントークのロゴにも小さな玉が二つ回っているデザインがあり、「原子っぽいですね」と言われることもあるそうです。

しかし、この太陽系モデルには大きな問題がありました。電子はマイナスの電荷を持ち、原子核はプラスの電荷を持っています。プラスとマイナスは引き合うのですから、電子はいずれ原子核に引き寄せられて落ちてしまうはず。人工衛星が空気抵抗でエネルギーを失い、少しずつ地球に落下していくのと同じイメージです。

もし電子が本当に落ちてしまうなら、物質が安定して存在していること自体が説明できません。にもかかわらず、1900年代初頭の科学者たちはこの矛盾にある程度目をつぶっていたのだとレンさんは指摘します。

ニールス・ボーアの人生と師匠ラザフォードとの出会い

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ニールス・ボーア1885年デンマーク生まれの物理学者。原子構造の理論で1922年にノーベル物理学賞を受賞。量子力学の発展に大きく貢献し、「コペンハーゲン解釈」の中心人物としても知られる。は1885年、デンマークのエリート家庭に生まれました。学者の父と銀行家の娘である母のもと、幼い頃から知識人たちと議論する環境で育ったそうです。数学が特に好きで、サッカーのゴールキーパーをしていた際に試合中に数学の問題に没頭してしまい、相手のシュートに気づかず失点したというエピソードも残っています。

転機となったのは1911年のイギリス留学でした。最初に訪れたのは、J.J.トムソンイギリスの物理学者（1856–1940）。1897年に電子を発見し、1906年にノーベル物理学賞を受賞。「ブドウパンモデル」と呼ばれる原子模型を提唱したことでも知られる。が率いるキャベンディッシュ研究所ケンブリッジ大学に属する物理学研究所。電子の発見、中性子の発見、DNAの構造解明など、多くのノーベル賞級の業績が生まれた世界的な研究拠点。。しかし、トムソンとはあまり交流がなく、大きな刺激は受けなかったようです。その後、別の大学に移り、そこで出会ったのがアーネスト・ラザフォードニュージーランド出身の物理学者（1871–1937）。金箔実験で原子核を発見し、1908年にノーベル化学賞を受賞。「原子物理学の父」と称される。でした。

ラザフォードは大柄で声が大きく、バリバリの実験派。対するボーアはおとなしめの理論派。正反対のタイプでしたが、この師弟のディスカッションが科学の歴史を動かすことになります。実験の達人が見つけた「太陽系モデル」に対して、理論の達人が「それ、おかしくないですか？」と切り込んでいったのです。

「特定の光しか出ない」という説明できない現象

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太陽系モデルにはもう一つ大きな弱点がありました。元素を加熱すると光が出るのですが、その光は元素ごとに「特定の色」しか出ません。もし太陽系のように電子が自由にくるくる回っていて、少しずつ原子核に近づいていくのであれば、距離が連続的に変わるのだから、出てくる光も虹のようなグラデーションになるはずです。

ところが実際に観測すると、同じ元素はいつも同じ色の光しか出しません。距離がグラデーション的に変わるなら色もグラデーションになるはず――この矛盾は、太陽系モデルでは説明ができませんでした。

さらに、光を放出するということは電子がエネルギーを失うということ。エネルギーを失えば電子はプラスの原子核側に引き寄せられ、最終的には衝突してしまうはずです。レンさんは「太陽から光が出て地球がちょっと軽くなったら、太陽側に引っ張られてどんどん落ちていくイメージ」と例えました。

電子は専用レーンしか走れない──ボーアの革命的アイデア

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太陽系モデルでなんとか説明しようとしたものの、どうにもうまくいかない。そこでボーアが出した答えは、「全く新しい原子を考える」ということでした。レンさんの言葉を借りれば、「もう俺の原子考えるわ」というわけです。

ボーアが考えた新しいルールは、電子は決まったエネルギーの「専用レーン」の上しか走れないというもの。太陽系のように電子がどこでも自由に回れるのではなく、原子核からの距離が決められた特定の軌道にしか存在できないとしたのです。

さらに、この専用レーンにいる間、電子はなぜかエネルギーを失わずにずっと回り続けられるという特別ルールを設けました。これにより「電子が原子核に落ちていく」問題は解消されます。

では元素ごとに特定の光が出る現象はどう説明するのか。ボーアの答えは、電子がエネルギーの高い外側のレーンから低い内側のレーンに「ジャンプ」するとき、その差分のエネルギーが光として放出されるというものでした。レーンとレーンのエネルギー差は元素ごとに決まっているため、出てくる光の色も特定のものに限られます。

レンさんはこれを「アナログからデジタルへの発想の転換」と表現しています。太陽系のようになめらかにくるくる回る世界ではなく、デジタル時計のように「カチッ、カチッ」と飛び飛びに変化する世界。プランクマックス・プランク（1858–1947）。ドイツの物理学者。1900年にエネルギーの量子仮説を提唱し、量子論の幕を開けた。1918年ノーベル物理学賞受賞。が提唱した量子仮説の考え方を原子構造に持ち込んだのがボーアだったのです。

賛否両論の嵐と、師匠・アインシュタインの反応

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ボーアがこの理論を発表したのは1913年、27歳のとき。しかし、反応は圧倒的に否定的でした。「こんなの作り話でしょ」「ドイツ人の全部作り話だ」――イギリスの科学者たちは冷ややかだったそうです。

師匠のラザフォードも否定的でした。もともと理論物理学が好きではない実験派の彼にとって、「レールからレールに電子が移る」というメカニズムの説明がない理論は受け入れがたかったのです。「メカニズム何もわかってなくね？」という指摘は、ある意味もっともだったとレンさんも認めています。

一方、アインシュタインアルベルト・アインシュタイン（1879–1955）。相対性理論や光量子仮説で知られるドイツ生まれの物理学者。1921年ノーベル物理学賞受賞。ボーアとは量子力学の解釈をめぐって有名な論争を繰り広げた。の反応は興味深いものでした。自身も似たようなことを考えたことがあったものの、「あまりに斬新すぎるので発表する勇気がなかった」と語ったのだそうです。

ボーア自身もこの仮説がむちゃくちゃだと自覚していました。それでも「こういうのじゃないともう説明できないよね？」という確信があったのでしょう。水素原子のスペクトル物質が放出・吸収する光を波長ごとに分解したもの。プリズムや回折格子で虹のように分けて観測する。元素ごとに固有のパターンを示すため、元素の「指紋」とも呼ばれる。を予測する公式を作り上げ、実験結果とめちゃくちゃよく一致することも示していました。ただし、水素以外の複雑な元素では十分に説明できないなど限界もあり、完全に認められるまでには約10年もかかったそうです。

ちなみにボーアは研究に没頭するあまり、新婚旅行（ノルウェー行き）をキャンセルしてしまったのだとか。代わりにケンブリッジのホテルに籠もり、自分が口述した論文の内容を妻に書き取ってもらったと伝えられています。エマさんは「妻が一番偉い」とコメントし、レンさんも「確かに」と認めていました。

後輩の育成と第二次世界大戦での決死の脱出

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イギリス留学からデンマークに戻ったボーアは、コペンハーゲン理論物理学研究所1921年にボーアが設立した研究所（現・ニールス・ボーア研究所）。世界中から若手物理学者が集まり、量子力学の発展に大きく貢献した。「コペンハーゲン学派」の拠点。を設立します。ここで後進の育成に力を注ぎ、のちに量子力学をさらに発展させるハイゼンベルクヴェルナー・ハイゼンベルク（1901–1976）。ドイツの物理学者。不確定性原理を提唱し、行列力学を確立。1932年ノーベル物理学賞受賞。ボーアの弟子の一人。などの若手研究者を育てました。

しかし時代は第二次世界大戦へ。ナチスによるユダヤ人迫害が進む中、ボーアは逃れてきたユダヤ人科学者たちを支援していました。1940年にドイツがデンマークを占領すると、ボーア自身も危険にさらされます。1943年、ナチスがボーアを逮捕しようとしているという情報を得て、漁船でスウェーデンに決死の脱出を決行しました。

その後、イギリス空軍の爆撃機の爆弾倉にこっそり乗り込んでイギリスに渡ったというエピソードはかなり衝撃的です。パイロットは知らないまま飛んでいき、途中で酸素不足により意識を失ったボーアは、異変に気づいたパイロットの高度変更によってなんとか生き延びたのだとか。エマさんの「不法移民じゃん」というツッコミが印象的でした。その後アメリカに渡り、偽名「ニコラス・ベイカー」を使ってマンハッタン計画第二次世界大戦中にアメリカが主導した核兵器開発計画（1942–1946）。原爆の開発に成功し、1945年に広島・長崎に投下された。にも顧問として参加することになります。

まとめ

原子のイメージは「太陽系のように電子がくるくる回っている」というものが広く知られていますが、実はそれは正確ではありません。太陽系モデルでは「電子がいずれ原子核に落ちてしまう」「出る光がグラデーションになるはず」という矛盾が説明できませんでした。

ボーアは、電子が決まったエネルギーの「専用レーン」上しか存在できないという、当時の常識を覆すアイデアを提唱しました。連続的（アナログ）な世界から、飛び飛び（デジタル）な世界への発想の転換です。周囲から「むちゃくちゃだ」と言われながらも、自らも斬新すぎると自覚しつつ発表したこの理論は、のちに正しいと認められ、量子力学の礎となりました。

エマさんが言うように、たとえ自信がなくても発表することで議論が進み、弟子がさらに発展させていく。ボーアからハイゼンベルクへ、原子の中身を探る旅はまだ続きます。