http://www.atomiccollision.jp/

しょうとつ
第3巻 第3号
目 次

３０年を迎える原子衝突研究協会：会長に就任して（山崎泰規）

シリーズ；原子衝突実験の歩み…3－独断と偏見で選んだ１０大(?)実験－

ラムザウアー効果（市川行和）…4

若手の会第 26 回秋の学校 活動報告（宮城晴英）…8

第 13 回原子衝突セミナー報告（行事委員会）…9

第 13 回原子衝突セミナーに参加して（藤田慎也）… 10

第 13 回原子衝突セミナーに参加して（田中隆宏）… 11

国際会議発表奨励事業に関するお知らせ（庶務）… 11「2005 年度会員異動」お詫びと訂正（庶務）… 122006 年度運営体制について（庶務）… 12「しょうとつ」原稿募集（編集委員会）

… 13

第３回

1

シリーズ
原子衝突実験の歩み―独断と偏見で選んだ１０大（？）実験―
第３回 ラムザウアー効果
市川 行和yukitikawa@nifty.com

平成 18 年 5 月 5 日原稿受付§１．はじめに量子力学が出来上がる前に，粒子が波動性をもつと仮定しないと理解できない結果が原子衝突の実験で得られていた．いわゆる「ラムザウアー効果」を発見した Carl Ramsauer の実験がそれで，今回はこの実験を取り上げる [1]． Ramsauer はドイツのオルデンブルクで生まれ，キール大学で学位をとった後，ハイデルベルク大学放射線研究所の Philipp Lenard の下で電子衝突の研究を

図 1．ビーム透過法の概念図．

開始した．やがて，AEG （ドイツの総合電気メーカの長さ，Q は全散乱断面積（すなわち，あらゆるー）の研究所設立に加わり，物理部門のリーダー

散乱過程の断面積の和）である．（１）式を用いれとなった．第二次大戦中は AEG を通じて軍事研

ば I0 ， I1 の測定から断面積 Q が求まる．この究に従事し，１９４１年にはドイツ物理学会の会長

方法は簡単なので，衝突断面積を実験的に求めに就任した．戦後は物理教育と科学史の研究でる（しかも絶対値が得られる）方法として，古くから過ごしたそうである．
§２．ラムザウアーの実験
衝突断面積を求める方法にビーム透過法を用いて全散乱断面積を測るものがある．図１にあるように標的気体を詰めた箱にエネルギー一定の粒子ビームを入射し，その気体を透過することによるビーム強度の減衰を測る．気体透過前後のビーム強度をそれぞれ，I0， I1 とするとその比は

I1

I0= exp( − n Q L )（１）
図 2．Ramsauer がビーム透過法で断面積を求めで与えられる．ここで n は気体の密度， L は箱た装置 [1]．

4

使われてきた．

測定がいくつか報告されていた．それによると，電Ramsauer はいくつかの希ガス気体と電子の衝子エネルギーを 100 eV の辺りから下げていくと突についてこの方法を適用した [1]． 彼の用い断面積は次第に大きくなり，エネルギーゼロの極た装置を図２に示す．この装置には紙面に垂直に限で一定値に近づくとされていた．ただ実験によ磁場がかかっている．亜鉛板 Z に光を当てて発っては，断面積がピークをもち，エネルギーを下生させた電子を，スリット B1 のところにあるメッシげると断面積が小さくなるものもあると報告していュ電極 N と Z の間に電圧をかけて加速する．電た．Ramsauer はこれらのことをよりていねいな実

子は円軌道を描くが，磁場の強さによって決まる験で確かめようとしたのである．その結果，少なくあるエネルギーをもつものだけが次々とスリットをとも Ar ではエネルギー低下とともに断面積が減通り抜けて，衝突箱 A1 に入る．衝突せずに残っ少し， 1 eV 付近ではきわめて小さい値をもつことた電子は A2 に入るが，A1 A2 に流れ込む電流をが確定した．

それぞれ E1 E2 とすると，E1 + E2 および E2 が§３．実験の反響と解釈（１）式の I0 I1 に相当する．電子の中には衝突後もビームから外れずに外に出てくるものがある（前方散乱の寄与）．Ramsauer の装置はエネルギ

断面積が小さいということは，電子があたかも衝ー分析器も兼ねているので，非弾性衝突による前突がないかのごとく気体中をすり抜けることを意味

方散乱は除くことができる．弾性衝突による前方する．古典的な衝突概念しかなかった当時の人散乱はこの場合にはあまり大きな寄与をしない．

はこれを聞いて大変びっくりした．たとえば，ドイツ実験の結果を図３に示す．図の縦軸は Q であ物理学会の会場で Ramsauer の講演を聴いた

るが，「衝突確率 Pc 」というもので表してあり，両James Franck （フランク‐ヘルツの実験のフラン者は Q = Pc × 0.2828×10-16 cm2 の関係にあク）はそのおどろきを Niels Bohr に次のように書る [2]． また横軸には電子の速度を目盛ってあいている [3]る．この図から， Ar の場合には電子エネルギー

In Jena I was particularly interested in a paperの減少とともに断面積が減少し，測定された最小of Ramsauer that I am not able to believe, though Iのエネルギー（約 1 eV ）のところで最小値をとる

cannot show any mistake in the experiment.

ことが分かる．

Ramsauer obtained the result that in argon the freepath lengths are tremendously large at very low

実は当時すでにビーム透過法による断面積のvelocity of electrons....If this result is right, it
seems to me fundamental.
この手紙を読んだ Bohr はさすがに何かあると直感し，大変興味があるのでさらに何か分かったらすぐに教えてほしいと書いている．一方，Franck の同僚の理論家 Max Born は，こんな馬鹿げた話はない，何かの間違いだろうから実験で確かめた方が良い，と言ったという．しかしやがて
Gustav Hertz （フランク‐ヘルツの実験のヘルツ）が再実験をして， Ramsauer の結果は間違いないことを確かめてしまった．また Ramsauer らはさらに実験を行い，Ar だけでなく Kr や Xe でも同じことが起こること，電子エネルギーを低くする
図 3．Ramsauer の実験．He， Ne， Ar の結果 [1]とあるところで断面積が極小になること，などを発5原理である [8]． 実際には電子の速度分布を決めなければならないなど複雑な手続きが必要なので，断面積を求めることはそれほど簡単ではない（現在ではある程度ルーチン化されている）．
Townsend らは，近似理論を使ってドリフト速度や拡散係数を平均自由行程 λ で表す式を導き，断面積ではなく λ（実際には電子の速度分布で平均したもの）を求めた．彼らのアルゴン，窒素，水素についての実験結果を次表に示す．
λ p (10 -2 cm Torr)

<E>
(eV)

ArN2H25.57

10.82.854.35

図 4．Townsend のスウォーム実験の装置（文献 [7]4.0916.82.863.32より）

2.84

26.9

2.71

2.52

見した． 現在では，この「ラムザウアー効果」は粒

2.05

36.3

2.68

2.25

子の波動性によるとして理解されている [4]． そのことを理論的に初めて証明したのはノルウェー

ここで < E > は電子の平均エネルギーであり，の理論家 Holtsmark [5] で，彼は部分波展開

また λ は圧力 p に逆比例するので，λ に p をの方法を使って断面積を計算し，電子が原子の掛けたものを示してある．この結果によると，Ar の近くに来たときに原子を分極する効果を考慮する

場合には電子のエネルギーが下がると平均自由と Ramsauer 効果が Ar の場合に現れることを示行程が大きくなる．すなわち，電子は衝突しなくなした．ちなみに， de Broglie が粒子の波動性をる．これは Ramsauer が得た結果と同じことである．

提唱したのは１９２４年である．

ただしこの表にはないが，もっとエネルギーを下げると，窒素でも水素でも平均自由行程が伸びる§４．タウンゼントの実験と論文には書いてある．Townsend らの論文には，すでに彼らは Ramsauer の実験を知っており，ArRamsauer の実験が行われていたのとまったくについては同じ結果が得られたが，他の気体でも同じ頃に，イギリスはオックスフォード大学の John同様な結果が得られたのでその点で異なる，と明S. Townsend らは以下に述べるようなスウォーム記している．

実験を行っていた [6]． 彼らの実験装置を図４

このように，多少問題はあるものの Townsend らに示す [7]． 金属板 A に紫外線を当てて電子も Ramsauer と同じ効果を見つけていたわけであを放出させる．B に開けたスリットを通してその電る．したがって，正しくは「ラムザウアー－タウンゼ子を電極 E へ向けて流す．BE 間には一様な電ント効果」と呼ぶべきだと云う人もいる．特に英国場がかかっている．電極 Eは３分割してあり，そ系の人は必ずそのように呼んでいる．しかし，文れぞれに流れ込む量を測る．電子は気体原子と献 [3] の著者によれば，同じようなことを見つけ衝突しながら全体としては電場方向に流れていくた人は他にも居り，それをいうなら Åkesson –（ドリフト）が，同時に電場と垂直な方向に広がる

Ramsauer – Mayer - Townsend effect とするべき（拡散）．そこで，電子のドリフト速度や拡散係数をだそうである．

測れば，それらから電子・原子衝突に関する情報が得られるはずである．これがスウォーム実験の6§５．おわりにAEG に移った Ramsauer はその後も精力的に原子衝突の実験を続けた．さまざまな原子分子について全散乱断面積の測定を行い，その多くについて「ラムザウアー効果」を見出した．さらには弾性散乱の微分断面積の測定も行った [9]． これはおそらく世界ではじめて微分断面積そのものを測った実験であろう．図５にその測定装置を示す．実際の装置はこの図を x – x を軸として回転した形になっている．左から加速されて入ってきた
図 6. Ramsauer が求めた Ar の弾性散乱微分断面積

電子は S で気体原子と衝突し，散乱されたもの[9]．Srivastava ら [10] の交差ビーム法による結果とを 11 分割した電極で測定する．すなわち 11 の散比較してある．

乱角における微分断面積を同時に測ることができ
る．1-10 eV 程度の電子を用いて，He， Ne， Ar，た原子核に向いたため，原子衝突の研究はややH2， CO， CO2 についての微分断面積を求めた．

下火になる．それが再び盛んになるのは Schulz

そのうち，Ar の結果の一部を図６に示す．ここでが共鳴現象を原子衝突にも見つけた１９６０年代

は最近の交差ビーム法を使った実験結果 [10]と初めである．これについては，本シリーズでもいず比較してある． Ramsauer らの実験は相対測定れ取り上げることになろう．

なので，図では 90 度のところで規格化したものを示してある．前方および後方の散乱を除けば，一参考文献

致はそれほど悪くない．散乱角の小さいところお[1] C. Ramsauer, Ann. d. Phys. 66, 546 (1921).

よび大きいところでは衝突領域の評価にあいまい[2] 高柳和夫，電子・原子・分子の衝突 [改訂版]（培風

さがつきまとうので，誤差が大きくなるのであろう．

館 1996）p.4.
[3] G.S. Im, Hist. Stud. Phys. Biol. Sci. 25, 269

１９３０年代前半は Ramsauer のほかにもいろい(1995).

ろなグループが実験を行い，原子衝突研究のひとつの頂点を迎えた感がある（ちなみに Mott &この論文は，ラムザウアー効果が発見され確かめらてい

Massey の有名な衝突理論の教科書の初版が発く過程を詳しく調べ，その科学史的意義を論じたものであ行されたのは１９３３年であった）．その後，戦争のる．本稿の執筆に当たって大変参考になった．

影響や，物理学者の目が新たな研究対象となっ[4] 文献 [2] p.42.
[5] J. Holtsmark, Z. f. Phys. 55, 437 (1929).
[6] J.S. Townsend and V.A. Bailey, Phil. Mag. 43,593 (1922).
[7] J.S. Townsend and V.A. Bailey, Phil. Mag. 42,873 (1921).
[8] R. W. Crompton, Adv. At. Mol. Opt. Phys. 33, 97(1994).
[9] C. Ramsauer and R. Kollath, Ann. d. Phys. 12,529 (1932).
[10] S.K. Srivastava, H. Tanaka, A. Chutjian, andS. Trajmar, Phys. Rev. A 23, 2156 (1981).

図 5. Ramsauer が微分断面積の測定に用いた装置 [9]7