金箔による α 粒子の散乱実験で、まれに大きな角度で散乱される粒子があることから、正電荷と質量のほとんどが中心の小さな原子核に集まっていると結論されたことについて、正しい記述を選べる
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原子の中で正電荷と質量がどのように分布しているかを明らかにした、α 粒子の散乱実験とその結論（ラザフォードの原子模型）を学びます。実験の結果（ほとんどの α 粒子は素通りし、ごくまれに大きく曲げられる）と、そこから導かれた結論（正電荷と質量のほとんどが中心の小さな原子核に集まっている）を結びつけて理解します。原子の構造について、記述の正誤を判断する問題で使います。
20 世紀のはじめ、電子が原子の中にあることはわかっていました。しかし原子全体は電気的に中性なので、どこかに電子の負電荷を打ち消す正電荷があるはずです。トムソンは、正電荷が原子全体に一様に広がり、その中に電子が散らばっている模型を考えました。これを確かめるため、ラザフォードのもとでガイガーとマースデンは、α 粒子（ヘリウムの原子核）を非常に薄い金箔に当てました。α 粒子は正電荷 をもち、電子よりはるかに重い（約 7300 倍）粒子です。
トムソンの模型が正しいとしましょう。α 粒子は原子の内部に入り込むことはできます。しかし正電荷が原子全体に薄く広がっているので、原子の内外どこでも電場は弱く、α 粒子が受けるクーロン力は小さくなります。また電子は α 粒子に比べてずっと軽いので、電子から力を受けても α 粒子の進路はほとんど変わりません。そのため「どの α 粒子もわずかしか曲がらない」と予想されていました。ところが実際には、ほとんどの α 粒子は素通りしたものの、ごくまれに大きな角度で曲げられるものがありました。中には 90° 以上はね返されるものもありました。
クーロンの法則 より、力は距離 が小さいほど急激に大きくなります。正電荷がごく小さな領域に集中していれば、そのすぐ近くまで近づける場所ができます。そこにたまたま非常に近づいた α 粒子だけが強い斥力（どちらも正電荷なので反発）を受け、大きく曲げられます。また、重い α 粒子をはね返すには、相手が α 粒子よりずっと重くなければなりません。したがって、質量もそこに集中しているといえます。さらに、大きく曲がるのが「まれ」であることは、その領域が原子に比べて非常に小さく、原子の大部分はすき間であることを示します（原子は約 、原子核は約 〜）。こうしてラザフォードは、中心に正電荷と質量のほとんどを担う小さな原子核があり、そのまわりを電子が回っているという原子模型を提案しました。
実験の内容を確認する：正電荷をもつ重い α 粒子を薄い金箔に当て、散乱される向きを調べた実験であること。
実験結果を正しく押さえる：ほとんどの α 粒子は直進するか、わずかに曲がるだけ。ごくまれに大きな角度で散乱される（90° 以上のものもある）。
結果と結論を結びつける。大きな散乱 → 正電荷が小さな領域に集中しており、そこに近づいた α 粒子に強い斥力 がはたらく。はね返せる → 質量も集中している。まれ → 原子核は原子に比べて非常に小さく、原子の大部分はすき間。
選択肢を判定する：次のような記述は誤りとして除く。「正電荷が一様に広がる」「電子が α 粒子を大きく曲げた」「原子核は原子と同程度の大きさ」「多くの α 粒子が大きく曲がった」。
金箔に α 粒子を当てる散乱実験とその結論についての記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア ほとんどの α 粒子が大きな角度で散乱されたことから、原子の正電荷は原子全体に一様に広がっていると結論された。
イ ごく一部の α 粒子が大きな角度で散乱されたことから、原子の正電荷と質量のほとんどは、原子の中心にある非常に小さな原子核に集まっていると結論された。
ウ α 粒子が大きな角度で散乱されたのは、原子の中の電子に衝突してはね返されたためである。
エ この実験から、原子核の大きさは原子全体の大きさとほぼ同じであることがわかった。
手順 1：正電荷をもつ重い α 粒子を薄い金箔に当てる実験です。
手順 2：結果は「ほとんどが素通り、ごくまれに大きく散乱」です。アは「ほとんどが大きく散乱」としているので、結果の記述が誤りです。結論の「正電荷が一様に広がる」もトムソンの模型であり、誤りです。
手順 3：大きな散乱は、正電荷が小さな領域に集中し、そこに近づいた α 粒子が強い斥力を受けたために起こります。重い α 粒子をはね返せるので、質量も集中しています。イはこの結論と一致します。
手順 4：ウ：電子は α 粒子よりはるかに軽く、α 粒子を大きく曲げることはできないので誤りです。エ：大きな散乱がまれであることから、原子核（約 〜）は原子（約 ）に比べて非常に小さいとわかるので誤りです。
よって正しいものはイです。
答え: イ
α 粒子を大きく曲げたのは電子だとしてしまう誤り。正しくは、電子の質量は α 粒子の約 しかなく、α 粒子を大きく曲げられない。曲げたのは、正電荷と質量が集中した原子核からのクーロン力である。
多くの α 粒子が大きく散乱されたと覚えてしまう誤り。正しくは、ほとんどは素通りし、大きく散乱されたのはごく一部である。この「まれさ」が、原子核が非常に小さく原子の大部分がすき間であることの根拠になる。
原子核が α 粒子を引力で引き寄せて曲げたとしてしまう誤り。正しくは、α 粒子（）も原子核も正電荷なので、はたらくのは斥力（反発力）である。斥力は にしたがい、距離 が小さいほど急激に強くなる。
トムソンの模型とラザフォードの模型を取り違える誤り。正電荷が原子全体に一様に広がり、その中に電子が埋まっているのはトムソンの模型で、α 粒子散乱実験によって否定された。ラザフォードの模型は、中心の小さな原子核のまわりを電子が回る模型である。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。