[論文レビュー] Il "protone neutro". Ovvero della laboriosa esclusione degli elettroni dal nucleo

Alberto De Gregorio|ArXiv.org|Mar 30, 2006

Twentieth Century Scientific Developments被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、中性子の発見に至る歴史的発展をたどり、特にジョリオ＝キュリー、チャドウィック、マジョラナ、フェルミらの初期の実験的・理論的知見が、電子を含まない基本粒子としての中性子の受容に至る過程を強調している。交換相互作用とベータ崩壊理論の役割が、原子核内への電子の排除という長年の謎を解消したことを示している。

ABSTRACT

The coming into light of the neutron is discussed. It is remarked that some experiments had already suggested that the penetrating radiation from beryllium had an electromagnetic component, before Joliot-Curies suggested the beryllium radiation consisted of high-energy gamma rays. Joliot-Curies' idea also relied on the many Compton electron tracks in the Wilson chamber. In 1920, both Harkins and Rutherford foresaw the existence of a particle of mass 1 and zero charge, consisting of one proton and one electron, though they did not give any name to it. In 1932, the neutron was finally observed by Chadwick. However, the question whether considering the neutron as a fundamental or a compound particle still bothered the physicists and Chadwick himself for more than one year. Instead, as soon as Majorana heard about Joliot-Curies' experiments he guessed the existence of a "neutral proton." In 1933 he published some "corrections" to Heisenberg's theory. A very simple analysis shows that Heisenberg's original version of exchange interactions and Majorana's version clearly reflect, respectively, that the nucleus contained "electrons" and that the nucleus was free from electrons. The emission of electrons from the nucleus still needed to be accounted for. Fermi's theory of beta-decay settled the question. Thanks to exchange interactions and beta-decay theory, quantum mechanics could now be applied to the nucleus, which could be considered free from electrons. Also the neutron could be considered free from electrons, and treated as a fundamental particle.

研究の動機と目的

• 中性子が陽子と電子の結合状態とは異なる基本粒子として識別されるに至った歴史的経路を分析すること。
• 1930年代の実験的証拠、特にコンプトンの軌跡と透過性の高い放射線が、原子核内に電子が存在するとする仮説に挑戦した経緯を検討すること。
• マジョラナが交換相互作用に理論的洞察をもたらし、電子を含まない原子核の理解の枠組みを提供した経緯を探ること。
• フェルミのベータ崩壊理論が、事前に存在する電子を必要としないままに原子核内から電子が放出されることをどのように説明したかを明確にすること。
• 初期の理論的提案にかかわらず、中性子が電子的構成要素を含まない基本粒子として最終的に受容された理由を説明すること。

提案手法

• ジョリオ＝キュリー夫妻のベリリウム放射線に関する実験と、彼らがウィルソン雲室を用いてコンプトン電子の軌跡を検出したことの分析。
• 1920年にハーキンスとラザフォードが提示した理論的提案のレビュー。両名は、質量1、電荷0の中性粒子を陽子と電子の結合状態として予測した。
• チャドウィックによる1932年の中性子の検出と、その後の中性子が基本粒子か化合物かという議論。
• マジョラナが1933年にハイゼンベルクの核の交換模型に理論的修正を加え、彼のモデルが電子を含まない原子核を示唆することを検討。
• フェルミが1933年に提唱したベータ崩壊理論を応用し、事前に存在する電子を必要としないままに原子核内から電子が放出されることを説明すること。
• 電子を含むと仮定したハイゼンベルクの元来の交換模型と、電子を除外したマジョラナの修正版を比較し、それらの物理的意味を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ初期の物理学者たち、特にラザフォードやハーキンスは、質量1、電荷0の中性粒子を陽子と電子の結合状態として提案したのか？
• RQ2 ジョリオ＝キュリー夫妻の1930年の実験的観察、特に透過性の高い放射線とコンプトンの軌跡が、ベリリウム放射線が高エネルギーのガンマ線であると解釈されるに至った経緯は何か？
• RQ3 マジョラナがハイゼンベルクの交換相互作用模型に理論的修正を加えたことが、原子核が電子を含まないことを確立するために果たした役割は何か？
• RQ4 フェルミのベータ崩壊理論が、事前に存在する電子を必要としないままに原子核内から電子が放出されることをどのように解消したのか？
• RQ5 中性子の発見後1年あまりの間、なぜ中性子が基本粒子か化合物かという点で議論が続いたのか？

主な発見

• 中性子は1920年にラザフォードとハーキンスによって最初に化合物粒子（陽子＋電子）として提案されたが、当時その名前は与えられなかった。
• ジョリオ＝キュリー夫妻の1930年の実験では、ウィルソン雲室内にコンプトン電子の軌跡が観測され、ベリリウム放射線が電磁的成分と高エネルギー光子を含む可能性を示唆した。
• チャドウィックによる1932年の中性子の発見は、中性子が基本粒子か化合物かという点で不確実性を伴い、物理学者たちがその内部構造について1年以上にわたって議論した。
• マジョラナの1933年の理論的業績は、電子を明示的に原子核から除外する修正版の交換相互作用模型を提示し、中性子の観測された中性を支持するものであった。
• フェルミの1933年のベータ崩壊理論は、事前に存在する電子を必要としない電子放出のメカニズムを提供し、核物理学における中心的パラドックスを解消した。
• マジョラナの交換模型とフェルミのベータ崩壊理論の組み合わせにより、量子力学が原子核に一貫して適用可能となり、中性子が電子を含まない基本粒子として受容されるに至った。