高エネルギー水素の電子雲について

教えてください。
電子雲を表すコレ↓ですが、
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/t …

例えば、水素は1個の電子しか持っていませんが、その水素を高エネルギー状態にすると水素の電子雲は与えられたエネルギーに応じてさまざまな形状をとり、1個の電子はそのさまざまな形状の電子雲の中を徘徊しているのですか？

No.6 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/11 22:30

正しいようで、微妙です。

＞まず第一に電子は存在する。

その通り。素粒子の一つです。

＞水素原子の場合は1個の電子が存在する。

そうですね。陽子数と電気的に釣り合う数の電子が存在します。

＞その電子はエネルギーに応じた軌道を持つので、電子軌道も存在する。

ここは違いますね。別の資料のURLが一番わかり易いと思います。軌道というのは、まず最初に粒子の位置がはっきりわかるモノの、運動の軌跡のようなものです。古典論の運動方程式がしめす経路のこと。

量子論でわかったのは、そんなものはミクロの世界にはなく、観測しないと電子はどこにいるかわからない。なので、軌道はそもそもないが、確率密度で存在の確率は予測可能なので、ある確率以上に存在が確認できる領域を、便器的に軌道と呼ぼう・・・こんな感じです。

つまり、あなたの考えは、主従が逆なんです。

＞電子軌道は電子のエネルギーに応じて様々な形状をもつ。

軌道の解釈を前述にした上言えば、正しい。
ある領域で高確率で電子の存在が観測されるっていうことです。

＞電子は電子軌道の内部で高速（光速の1/137の速さ）で位置を変える。

位置が観測するまでわからないので、位置を変えるという粒子が速度を持つ概念で話をすると、話がもとに戻ってしまいます。もし粒子がそうやって移動していたら、直ちに電磁波を照射して、エネルギーを失い、原子は崩壊してしまいますね。これがそもそも、前期量子論が確率された、課題の一つです・・・

＞電子の位置は電子のエネルギーに応じて様々な形状をもつ電子軌道の重ね合わせた軌道の内部にある。

これも違います。前述したように、発生確率が多い場所を、便宜上軌道と呼んだということ。発生確率９５％としてすれば、ほぼ古典論の軌道と一致する。確率の範囲を変えれば、その便宜上軌道と呼んだ範囲はいくらでも変わります。発生確率を設定して、軌道と読んだのだから、電子はそこで発見される確率が多のは確かだが、必ず、軌道の内部にあるわけでもありません。

＞このとき重ね合わさった電子軌道を電子雲と呼ぶ。つまり電子雲とは電子軌道の重ね合わせである。

これは、違いますね。確率密度で計算された様子が、擬似的に雲のようなイメージなので、電子雲と呼ぶだけで、たんなる呼び名。確率密度によって、観測するまで位置がわからないものを、ある確率でみたてて絞ったときのイメージを、そう呼ぶだけです。

＞もちろん水素原子の内部を見た人は誰もいないのですから、電子であれ電子軌道であれ電子雲であれすべては概念的なものにすぎません。

そういう意味で概念的なわけじゃないのです。もともと、そんなものは、説明のためのものであって、存在しないのです。たんなる数学的な手法ということです。

＞しかしすべての物質は原子からできていて、その原子は原子核と電子からできているが原子核の大きさは原子の大きさに比べると無視できるほど小さいので、原子を外から見るとぼんやりとした電子雲のように見えると考えておけばそれで十分なのではありませんか？

これはまったく間違いです。原子の大きさは、確率密度で存在が確認される確率が高い、もっともエネルギーが低く安定した場所の仮想軌道のことです。水素のような単純なものは、古典論で、電子を波にとらえたものと一致しますね。この確率密度はそもそも、陽子のもつ＋電荷と電子のー電荷との相互作用である電磁気力に由来します。電磁気力をもとにエネルギーを量子化して得られたものです。電子雲のようなものが実態なわけではありません。電子雲のように見えるわけでもありません。あくまで比喩です。比喩と実態を混同してはいけません。

＞こんな感じでどーでしょーか？

まあ、これ以上は難しそうですね。
ご自身が、そう思うなら、それでいいと思いますよ。
どこまで厳密に理解したいかは、自由なので。

No.5 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/11 17:18

このサイトがわかりやすいかな。

私の思いつきの文章よりは、もっと体系的に、順を追って説明されていますね。図もあるのがいい。シュレディンガー方程式などが、文字化けで表示されていませんが、テキストは読めます。

https://www.chem-station.com/blog/2020/08/orbita …

この後半の

本質は何だったのか・・・

という中に、あなたの質問や補足のような誤解、あるある話、確率に実態がないが、確率の高いところを軌道と便宜上呼んでいることなどが、詳しく説明されています。

また、図４に、確率密度の計算から、９０－９５％の確率で存在が確認できる場所を図示してあり、それが古典上の軌道イメージと同じであることも、わかりやすく図示されます。

また、図１や図４や、もとのYoutubeには、核子の大きさが想像しにくいですね。NO4では、東京駅に１ｍとおいて電子の軌道は１００ｋｍといいましたが、逆に、S軌道を画面上の１０ｃｍとすると、

核子の大きさは

１０ｃｍ　＊　１ｍ　/ 100000m　 = 0.0001 ｃｍ

となり目に見えません。このあたりも、あの図が誤解を与える大きな原因ですよね。

No.4 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/11 14:38

あらたらしい概念を理解する気がないなら、これで回答やめますね。

＞電子は実際に存在し、原子を構成する空間を漂っている。原子を構成する空間のほぼすべては電子雲が占める領域である。

違いますよ。たとえば、水素原子の軌道の大きさを自分で調べてみてください。古典論でいう円形の軌道に見立てた数値がわかります。これは、すなわち、原子の大きさですね。

さてこのとき、原子核を、東京駅においた１ｍのボールとすると、電子の軌道、つまり原子の大きさはどの辺りだと思います？

なんと半径１００ｋｍ。水戸、宇都宮、高崎・・・・などを結んだ線です。つまり、東京駅にある１ｍの核子が作る原子の大きさは、関東地方ほぼすべてだが、その中身はほぼ何もないただの空間です。

電子雲とは、電子が存在する確率密度関数ですが、電子が高確率で存在する場所は、古典論の軌道と同じです。ちょっとズレたところにも、発見されることもある・・・というだけの話です。

つまり、１００ｋｍの線が、細い糸ではなくて、少し太いロープか、水道管のようなものですよ・・・って言ってるだけです。このスカスカの空間を漂っているわけではありません。

そしてそれは、電子を量子論的に計算すると、さまざまな状態が重ね合って、観測されない限り確定しないってことなのです。先に粒子があって、それが空間を高速でさまよっている・・・という、日常感覚の雲とは、まったく違うのです。なので、そのイメージで捉えても、電子雲など存在しないし、当然存在しないので、観測もできません。確率密度関数を電子雲というのです。それを、グラフ化すると、まるで雲のように見えるけど・・・っていうだけです。

＞物体は電子の雲で覆われている。我々が物体を触るとき、その物体を覆う電子の雲に触れている。このように理解して何か間違っていますか？

間違っています。多重に存在する、日常感覚では理解でいない状態を、確率密度として関数にしたのが電子雲です。原子の中はスカスカ。でも、その確率が高い＝古典論的的に考えた電子の軌道半径で、原子の形や大きさは保たれている。それは、量子論により、その状況がもっともエネルギーが低く安定しているからですね。その状態の、陽子と電子の間の電磁気力が、マクロの物質の色や形や硬さを決めています。それを、素人的に、電子の雲を触っている言うのは、自由ですが、現実にないものを言っても、間違っていることにはかわりありません。

＞あなたは電子雲なんて実在しないと言いますが、

私ではありません。解明されている事実を言っているだけです。電子雲は、確率密度関数のことです。それを、まるで雲のような・・・という意味で電子雲というのです。

そのイメージが先行してしまうと、電子という粒子が、その雲の中を漂って、ぼんやりと見える・・そいういう物理的な状態が存在し、観測できるかのように勘違いしてしまう。高校の教科書から、この軌道の雲のような説明が消えたのは、そいういう背景です。実際、そいういう勘違いをしている人も多いし、あんなYoutube を、量子論を知らない人が見たら、そう考える気持ちはわかります。

比喩としてたとえたものを、本質を理解できない人は、日常の感覚、日常でその言葉の保つ意味から、勝手な想像をしてしまう。よくあることです。ブルーバックスや、ポピュラーサイエンスなど、なんちゃて科学ならそれでいいと思います。

しかし、それは事実ではないので、それ以上の理解をしたいなら、きちんとステップを踏んで、量子論も勉強するしかないですね。そうしないと、言葉遊びになってしまいます。

＞電子雲が実在しないのであれば物体は形を持たず触ることさえできないのではありませんか？

まずこういう考え方が根本的に間違っています。物質は形を持ち、色をもち、硬さをもち、大きさを持つ。電子雲が存在しようとしまいと、その事実はかわかりません。ラザフォードのモデルで考えても、原子や分子のあつかいは、十分実用的です。

電子雲は、それを拡張して、少しだけミクロの世界で起こっていることを、モデル化し、特に軌道については、最低エネルギー状態にいる電子が、なぜそこにいるか？を明らかにし、エネルギー準位の遷移と、観測される電磁波スペクトルの関係を、厳密に表したモデルの一部です。

なので、電子雲が存在しない・・・意味を、よく理解してください。このモデルは、電子がある軌道に、１ミリもずれずに円形で存在しているわけではなく、確率密度に量子論的に存在しているのですよ、多少ゆらぎがありますよ・・・というだけの意味です。

しかもこれは、観測するまではその多重状態が存在しているが、観測されると粒子かのようになる・・・という、日常生活では説明のつかない、ミクロ現状の話なので、粒が電子雲のシミュレーションで示した空間を飛び回って、まるで雲のように見える・・わけじゃないのです。

電子は、原子の大きさをしめす軌道上に、定常状態ではほぼ存在する・・・と考えたほうがよっぽど実態に近い。だからこそ、モノの形、大きさ、硬さ、色などがあるのです。

この回答へのお礼

まず第一に電子は存在する。
水素原子の場合は1個の電子が存在する。
その電子はエネルギーに応じた軌道を持つので、電子軌道も存在する。
電子軌道は電子のエネルギーに応じて様々な形状をもつ。
電子は電子軌道の内部で高速（光速の1/137の速さ）で位置を変える。
電子の位置は電子のエネルギーに応じて様々な形状をもつ電子軌道の重ね合わせた軌道の内部にある。
このとき重ね合わさった電子軌道を電子雲と呼ぶ。
つまり電子雲とは電子軌道の重ね合わせである。
もちろん水素原子の内部を見た人は誰もいないのですから、電子であれ電子軌道であれ電子雲であれすべては概念的なものにすぎません。
しかしすべての物質は原子からできていて、その原子は原子核と電子からできているが原子核の大きさは原子の大きさに比べると無視できるほど小さいので、原子を外から見るとぼんやりとした電子雲のように見えると考えておけばそれで十分なのではありませんか？
こんな感じでどーでしょーか？

お礼日時：2023/06/11 21:31

No.3 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/11 11:14

誤解がどんどん膨らんでしまっているので きちんと 丁寧に説明しますね 。

今出先なので 午後3時ぐらいまでお待ちください。

No.2 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/10 19:05

>電子雲の存在について否定的なようですが、上の立派な動画についても否定されますか？

否定的とか以前の問題です。私が、独自理論を話しているわけではありません。１００年まえに解明された、科学的事実です。

電子雲とは、電子の空間に存在する確率（密度）関数のことです。いいですか、その関数を電子雲というのです。実態があるわけではありません。関数についた名称です。ビデオでも、それを映像化した・・・・とはっきり英語でかいてありますね。

順を追って・・・

電子は素粒子です。素粒子とは、われわれが、マクロの世界で物質とか粒子と思っているものとはまったく違う存在です。観測問題（調べてみてね）でわかるように、実態は場が励起した波なのです。観測しない場合は、ある領域に同時に存在しているかのように振る舞う。どこにいるかまるで分からないのです。ところが、観測すると粒子として振る舞う。この、日常生活では絶対理解できないことが、ミクロの世界で起こります。

つまり、普通の粒子が核子の周りをぐるぐるまわる・・・という感覚はうそだし、それが雲になっているというものまったくの嘘です。歴史をたどると、もしかするとそうかもしれない・・・と思ったときもありましたが、今は完全に量子論が完成し否定されています。

電子雲とは、量子論がにより、電子が格子の周りに存在する様子がわかってきたとき、電子が観測される確を関数にしたものです。ビデオは、その関数を、単にグラフ化しただけです。例えば、サイコロの目が出る確率だって、グラフにすれば波や雲のようになりますね、それと同じです。電子雲という実態がこの世にあるわけではありません。当然、その電子雲を見たり観測することもできません。だって、存在しないものだから。

これらは、前期量子論と言われる電子の量子論のときは、なぜだかよくわかっていなかったが、その後粒子論が汎用化され高度化され、この世のすべての素粒子が場の量子論、標準理論としてまとめられると、いまはその意味がはっきりわかっています。

素粒子は、場がエネルギーで励起し、相互作用が単純なときのみ、観測すると粒子のように振る舞う。それ以外は実態は波。エネルギーの塊としての波なのです。マクロの感覚では、絶対に理解できないのです。

量子論を少しでも勉強すれば、このことは一丁目一番地なので、だれでも理解すべきことになります。興味があれば、がんばって勉強してください。

なお、化学であつかう軌道は、実態はなくても、軌道のイメージで十分化学反応を説明するのに実用的なことから、便宜上使っているだけの話です。

この回答へのお礼

電子は実際に存在し、原子を構成する空間を漂っている。
原子を構成する空間のほぼすべては電子雲が占める領域である。
物体は電子の雲で覆われている。
我々が物体を触るとき、その物体を覆う電子の雲に触れている。
このように理解して何か間違っていますか？
あなたは電子雲なんて実在しないと言いますが、電子雲が実在しないのであれば物体は形を持たず触ることさえできないのではありませんか？

お礼日時：2023/06/11 09:29

No.1 回答者： puyo3155 回答日時： 2023/06/10 10:05

うーん、電子雲なんて、実在しません。

便宜上の概念ですよ。昔は、高校の教科書にもありましたが、誤解を与えるので、今はなくなりました。

まず、

原子は、原子核＋電子　あわせて原子です。

・原子核があって、その周りを電子がまわってる。
・かつては、地球の周りを月がまわるように、原子核のまわりを電子という粒子が回っていると思っていた。
・また、エネルギーは無段階の大小で吸収・放出するとも思っていた。

ところがそうではないようだ。電子が円運動していたら、エネルギーを失って、原子が崩壊してしまうはずだが、そうはならない。なぜか、飛び飛びのスペクトルが観測できるが理由も不明・・・・

ここから、量子論の扉が開いたのが１００年前のことです。

・原子核の周りの電子は、最低エネルギーレベル、その次、その次・・という飛び飛びの状態にしか存在できない。
・その存在する確率をイメージにしたものが電子雲。雲があるわけじゃない。あくまでイメージ。
・普段は最低エネルギーの基底状態にいる。エネルギーを吸収すると、励起状態になり別の軌道に遷移する。
・その遷移したときのエネルギー差に応じた、電磁波がスペクトルとして観測される。

これが、前期量子論の結論みたいなものです。なので、まとめると

・　雲などない。原子核と電子がセット
・　エネルギーを吸収すると基底状態＞励起状態に
・　その軌道雲イメージの確率で電子は存在している（粒子ではない）
・　軌道間を遷移がスペクトルとして観測される。

ってことです。この、エネルギーに単位がある。電子は粒子ではないなどの気づきが、やがて量子論を生み出し、電磁気学や、特殊相対性理論と融合し、場の量子論、標準模型・・・となり一応完成。

この世の根本原因を解明したのです。

この回答へのお礼

電子雲の形状については以下の動画↓が詳しいです。
https://youtu.be/HyRHT4yOvms?list=UULFqxRbCOghYo …

＞うーん、電子雲なんて、実在しません。便宜上の概念ですよ。昔は、高校の教科書にもありましたが、誤解を与えるので、今はなくなりました。

電子雲の存在について否定的なようですが、上の立派な動画についても否定されますか？

お礼日時：2023/06/10 15:38