ボーンの原子物理学の原理の発想
原子スペクトルの謎
1900年代初頭、物理学者は原子から放出される光のスペクトル、すなわち原子スペクトルに頭を悩ませていました。古典物理学では、荷電粒子が加速すると連続スペクトルを持つ電磁波を放射するとされていましたが、原子は特定の波長のみからなる線スペクトルを示しました。この矛盾は、古典物理学では説明できない原子構造の謎を浮き彫りにしました。
前期量子論の登場
1913年、ニールス・ボーアは革新的な原子模型を提唱し、原子スペクトルの謎に挑みました。ボーアの原子模型では、電子は原子核の周りを特定のエネルギー準位を持つ円軌道上のみを運動できると仮定されました。電子が異なるエネルギー準位間を遷移する際に、特定の波長の光を吸収または放出するとされ、これが原子スペクトルの線スペクトルに対応すると考えられました。
ボーアの対応原理
ボーアの原子模型は、水素原子などの単純な原子については実験結果をよく説明できましたが、より複雑な原子に対しては破綻することが明らかになりました。さらに、電子が特定の軌道を運動するという古典的な描像は、当時の物理学の常識から大きく外れていました。
ボーアは、古典物理学と新しい量子論の間の橋渡しとして、対応原理を提唱しました。これは、量子数が非常に大きい極限では、量子論の結果は古典物理学の結果と一致しなければならないという要請です。
行列力学と波動力学
1925年、ヴェルナー・ハイゼンベルクは行列力学を、エルヴィン・シュレーディンガーは波動力学をそれぞれ提唱しました。これらは、どちらもボーアの原子模型が抱えていた問題点を解決し、量子力学の基礎を築きました。
行列力学は、物理量を行列で表し、それらの間の関係式を用いて原子スペクトルを説明しました。一方、波動力学は、電子の状態を波動関数で記述し、シュレーディンガー方程式を解くことで原子スペクトルを導出しました。
ボルンの確率解釈
波動力学において、波動関数の物理的な意味は当初、明確ではありませんでした。マックス・ボルンは1926年、波動関数の絶対値の2乗が、ある場所において電子を見出す確率密度を表すと解釈しました。これは、量子力学における確率解釈の基礎となり、古典物理学における決定論的な世界観からの大きな転換となりました。
原子物理学の原理
ボルンの確率解釈は、ハイゼンベルクの不確定性原理とともに、量子力学における重要な概念となりました。ボルンの貢献により、原子物理学は古典物理学では説明できない現象を理解するための新たな枠組みを獲得し、現代物理学の礎を築きました。