【テクノロジー解説】中性子をぶつけて、原子が「どこにいて」「何をしているか」を見る:X線では見えにくい水素や小さな磁石も見える。超伝導、排ガスの触媒、プラスチック、ウイルスの研究に(1994年ノーベル物理学賞)

プレ男物の中を見るなら、X線でいいんじゃないの?

メル美X線では見えにくいものが、中性子なら見えるんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回は中性子散乱です。1994年のノーベル物理学賞の発表をもとにまとめました。

中性子をぶつけて調べる

• 物をくわしく調べる方法として、X線や顕微鏡が知られていますが、それだけでは足りないこともあります
• 中性子散乱は、原子炉から出てくる中性子を、調べたい物質にぶつけて、その散らばり方から物質を調べる方法です
• 中性子が物質の原子にぶつかると、向きが変わります。その向きから、原子がどう並んでいるか(構造)がわかります
• 中性子の速さの変化からは、原子がどう動いているか(ふるえかたなど)がわかります

「どこにいる」と「何をしている」

• かんたんにいうと、クリフォード・シャル博士は原子が「どこにいるか」を、バートラム・ブロックハウス博士は原子が「何をしているか」を調べる方法をつくりました
• 2人は1940〜50年代、アメリカとカナダの最初のころの原子炉で、先がけの研究をしました

プレ男「どこにいるか」と「何をしているか」。原子の探偵みたい!

X線では見えにくいものが見える

• 中性子は電気をおびていないので、物の奥まで入りこみ、試料全体を調べられます
• 水素:X線は原子の電子で散らばるので、電子が1つしかない水素は、X線ではほとんど見えません。でも、水素の原子核(陽子)は中性子をよく散らすので、水素の位置がわかります。水素は、体をつくる物質にも、技術に大切な物質にも多くふくまれています
• 小さな磁石:中性子も、磁石になる物質の原子も、小さな磁石です。中性子を使うと、原子の小さな磁石の向きを調べられます。X線ではできないことで、いまの磁石の研究に欠かせない道具になりました

原子の「ふるえ」を見る

• たくさんの原子がいっしょにふるえる動きを「フォノン」といいます
• ブロックハウス博士は、中性子のエネルギーの変化をくわしく調べる装置(3軸分光器)を設計しました。中性子のエネルギーは、物質の中のフォノンのエネルギーと同じくらいなので、原子のふるえを調べるのにぴったりでした
• 1955年には、アルミニウムの結晶のふるえ方をはじめて実験で示しました

何に役立つ?

• 新しいセラミックスの超伝導体、車の排ガスをきれいにする触媒の表面での分子の動き、ポリマーの弾力、ウイルスの構造など、はば広い研究に使われています
• コンピューターのメモリのような技術や、汚染の化学のような環境の研究への応用も期待されていました(1994年当時)

中性子散乱は、中性子を物質にぶつけて、原子がどこにいて何をしているかを調べる方法です。X線では見えにくい水素の位置や、原子の小さな磁石の向きもわかります。

つながるテクノロジー

• 物の中を見るもう1つの方法:X線(レントゲン)
• 中性子で調べられた超伝導体:「高温」超伝導の発見
• 排ガスの触媒の表面:化学反応は「表面」で起こる

プレ男X線と中性子、得意なものがちがうんだね。

メル美いろんな「見る技術」があるから、科学が進むんだね。

まとめ

• 中性子散乱:中性子を物質にぶつけ、散らばり方で調べる
• 向きから原子の並び(構造)、速さの変化から原子の動きがわかる
• シャル博士=原子が「どこにいるか」、ブロックハウス博士=原子が「何をしているか」
• X線では見えにくい水素の位置、原子の小さな磁石の向きもわかる
• 超伝導体、触媒、ポリマー、ウイルスの研究に(1994年ノーベル物理学賞)

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 1994. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1994/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)

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