原子核についての質問

C1）原子は、原子核と外殻の電子で構成され、原子核は、陽子と中性子で構成される、という。
一方、原子核内では、陽子と中性子がπ中間子をやり取りをして、強固に結合しているという。
それならなぜ、原子核は、 (陽子＋中性子＋π中間子)で構成されると書かないのでしょうか?

C2）π中間子の質量は、電子と陽子の質量の中間の質量（電子の約270倍）という。原子核の中に、陽子と中性子とπ中間子があると、その質量は、（陽子の質量＋中性子の質量）よりも大きくなるように思いますが、そうならないのはなぜですか？

C3）π中間子には、π0、π+、π－の3種類がありますが、該結合に関っている中間子は、どれですか？
π+、π－(質量は電子の約273.1倍)は電荷を持っているので、これらが入ると核子の電荷数が狂ってくるので、π0（質量は電子の約264.1倍）が関与するのでしょうか？しかし、π0の構成は（U・反U－d・反d）／√2という無理数だから、陽子や中性子のクォークとやり取りできるのだろうか？とも思います。
π中間子は、原子核の中に何個入っているのですか?　陽子数、中性子数、質量数の増加と共に増加するように思いますが、そういう事も、どこにも書かれていません。

C4）湯川秀樹博士が、中間子理論を提出し、これのやり取りで原子核が強固に結合していると説明し、後に、宇宙線から、3種類のπ中間子（π＋、π０、π－、）が見つかってNobel賞を受賞したという。
しかし、肝心な「π中間子が、核子の結合の主要な担い手だという証拠」が示されていない。
該証拠についての説明がない。どういう証明がなされたのでしょうか?
3種類のπ中間子が、どういう関与をして、結合を担っているのでしょうか?

C5）素粒子の標準理論では、陽子や中性子は、クォーク3個からできていて、グルーオンという接着剤で強固に結びついているという。そうすると、原子核内では、クォークとグルーオンが多数混在して、原子核を構成しているように読み取れます。該グルーオンが核内の隣の核子のクォークと相互作用して原子核の結合を維持していると考えてはいけないのですか?　そうすると、π中間子は不要になります。
π中間子＝グルーオン、と見なしてよいのでしょうか?、それともいけないのか？

OK-WAVEで質問しましたが、説明できる人が誰もいなかったので、このNobel賞は、どうもインチキ臭いように思っています。該Nobel賞を受賞する時、このような中学生レベルの質問は出なかったのでしょうか？
明快に説明できる人がおられたら、教えて下さい。
又は、明快に説明したサイトを教えて下さい。

No.7 回答者： rinkun 回答日時： 2016/02/13 22:18

D1) そんな物言いをしていたらそもそも素粒子の発見って何よ。

所詮は(素粒子の軌跡とされる)霧箱の模様(※)に過ぎないんだよ。
未発見の素粒子を理論的に予測したらその通りの性質の粒子が見つかった。それだけで理論の信憑性は格段に上がるし十分な価値があるんです。
# ※今は霧箱じゃないけど、観測されるのは高度な理論を駆使しないと理解できない痕跡に過ぎないことには違いない

あと、
> 「π中間子が、原子核の結合を担う主因子である｣
これは現在の理論では正しくないです。下記URLにあるように湯川理論は比較的離れた核子間での核力の近似に過ぎない。
http://www.ccs.tsukuba.ac.jp/wordpress/uploads/2 …
ただ、だから湯川理論はダメだとかノーベル賞がおかしいという話にはならない。
力が粒子の交換で媒介されるという考えを示して到達距離からその質量を推定し、それが後に立証されているのだから。

D2) それをいうと多くのハドロンがある中で普通の原子核を構成しているのは陽子と中性子だけでしょ。
あと#6のC3は間違ってたわ。上記URLの3ページを見るに主なのはπ0だわ。

D3) いや、これが中間子論で中間子の質量を推定した理屈でしょ。不確定性原理はエネルギー×時間に対しても成立し、ごく短時間ならエネルギーが不確定になれる。その時間内で粒子交換が成立する距離=力の到達範囲から粒子の質量を逆算すると。
具体的な数値を含んだ説明は例えば下記URLの◆核子(3)あたりを読んで。
http://www.keirinkan.com/kori/kori_physics/kori_ …

D4) これは勘違いでした。距離は同じくらいから精々10倍くらい?
π中間子とクォーク＆グルーオンの関係はD1の示したURLの9ページ参照。
π中間子＝グルーオン、ではなく、グルーオンを交換しつつ交換されるクォークの組、ですかね。
一種じゃなく色々なパターンが混じってそうですけど。

この回答へのお礼

どういう学力レベルの人か存じませんが、お付き合い頂き、御回答を頂き有難うございます。
私がこれに対して感じた事は以下の通りです。ご意見がありましたらよろしくお願いします。
E1）Netで、WIKIPEDIA等には、湯川の仕事に関しては次のように書いています。
F1）湯川は、「陽子と中性子間の核力を媒介する媒介粒子として、中性の中間子（電子の200倍の質量を持つBose粒子）の存在を予想して、核力（強い力）を導く事に成功した」。

F2）「湯川は、該中間子論でNobel賞を受賞したが、これに驚き、自身のこれ以後の仕事を、場の量子論で自ら見出した問題の解決に力を注いだ。しかし、この研究は成功しなかった」とある。湯川の仕事は、その後の進歩発展がないように思います。
場の量子論では、湯川は行き詰った。従って、湯川と同じように、場の量子論を振り回しても、泥沼に落ちるだけ、という気がします。

E2）湯川が中間子論を発表した時は、中性の中間子を予想した。
π＋、π－は後の実験で観測されたが、実際には、π＋、π－は、強い結合に、全く関係のない粒子ですか?
こういう事については何も書かれていない。現在の学説ではどうなっているのですか?　
行き詰った理論だから、説明のしようがないかな?

E3）ゲルマンの理論では、クォークQkとQkをGluonが強く接着しているという。このGluonは、質量は0で、電荷は中性、スピン1のBose粒子である。また、「色荷（カラー）」と呼ばれる量子数を持ち、その違いによって全部で8種類のGluonが存在する。従って、これは質量を持つπ中間子とは全く異なる。従って、C5）に対しては、π中間子≠Gluon、といえる。

E4）D4）で核子間の距離は、「同じくらいから精々10倍くらい? 」とありますが、根拠はありますか? あてずっぽうの値ですか?
原子核内の核子の積層構造を、γ線の回折か、高Eneの電子線や電子線回折で等で、解析した研究はあるのでしょうか?そういう研究結果があれば教えて下さい。

お礼日時：2016/02/15 17:59

No.6 回答者： rinkun 回答日時： 2016/02/11 13:12

C1) 素粒子が原子の構成要素であると言うことの定義しだいでしょう。

普通は構成要素としてはフェルミオンだけ含めてボソンは含めない。

C2) 量子力学が支配する素粒子の世界では質量保存則はあなたが思うような形では成り立ちません。
感覚的にいうと、ごく短期間には一定の範囲で質量(エネルギー)が変動し、その量子ゆらぎによって中間子が生成され交換されます。

C3) 確かπ+、π－。π０による反応もあったかもしれないけど覚えてない。
簡単に言うと、エネルギーの出入りは省略して
　p+ -> n + π+
でpから出たπ+が他のnに飛んでいって
　π+ + n -> p+
で吸収される。これによって陽子と中性子が入れ替わる。π－は逆の反応ね。

C4) 理論から存在を予測した粒子が実在した。それで十分では?
あなたのいう証明とは何をすれば証明したことになるんでしょうか。

C5) 素粒子(陽子、中性子)の中と、素粒子の間では相互作用の距離が全然違いますよね。
グルーオンは素粒子の中でクォークを結びつけるものです。
中間子は2つの素粒子の間で原子核を結びつけるものです。
グルーオンが自体が素粒子を飛び出して別の素粒子との相互作用を行うには莫大なエネルギーが必要で、大型粒子加速器を使っても実現できないのが、グルーオンやクォークが直接観測できない理由ですね。

この回答へのお礼

御回答有難うございます。御回答に対する私の疑問は、次の通りです。
D1）「π中間子が、原子核の結合を担う主因子である｣というなら、それを直接、明快に証明、確証するのが基本です。直接証明できないなら、演繹法や帰納法で証明しても良いが、それすらない。その証明がないなら科学ではありません。

D2）戦後、数百種類の素粒子が発見され、その殆どは強い力を及ぼすハドロンの仲間です。
π、k、η、ρ、ψ、D、等、多くの中間子がある。その中で、なぜ、π中間子なのか、分らない。
π中間子はその内の1つにすぎない。

D3）場の揺らぎで、電子の数百倍の質量の粒子が生まれたり消えたりする？
質量保存則、全Ene（静止質量Ene＋運動Ene）保存側も成り立たない　?
回答内容が、門外漢の人が個人的な勝手な思い付きで言われているのか、世界の学界で認められたAuthorizeされた文献に基づいて言われているのか分らないので、言われている事に引用文献を付けて頂くと助かります。

D4）「素粒子(陽子、中性子)の中と、素粒子の間では相互作用の距離が全然違います」と言われていますが、具体的な数値比較はできますか?　核子間の距離は、核子の直径に対して、そんなに大きくて、隙間が広いのですか?　科学の説明には、具体性、定量性が必要です。

お礼日時：2016/02/13 15:33

No.5 回答者： Tacosan 回答日時： 2016/02/05 17:26

いろいろな回答が既に出ていますが, 最後の

「該Nobel賞を受賞する時、このような中学生レベルの質問は出なかったのでしょうか？」
については明確かつ単純に答えることができます.

もう本当に単純な話で,
当時はそんな質問ができるような時代じゃなかった
んです. ただそれだけ.

No.4 回答者： uen_sap 回答日時： 2016/02/05 11:15

者の大きさのイメジが無い。

共有する常識レベルは常にある。論議の内容により、その常識レベルは高低さまざまである。
その共有レベルを高低ごちゃまぜにしては論議にならない。
極論すると、物理学は最終的に数式で整理して、標準モデルとして完成しますが、その数式はあくまで近似式。近似の程度は論議の内容によって使い分けが必要です。
ニュートン力学がマクスウェルの電磁気学と矛盾することから、アインシュタインは一般相対性理論を構築しました。だからといって、ニュートン力学が無用になったわけではありません。宇宙ロケットはニュートン力学の範囲で処理できますが、GPSは相対論で正確な位置情報を提供しています。
今相対性理論はブラックホールで矛盾を抱えています。いずれ新理論で整理されるでしょう。超弦理論がその候補の一つと言われてはいます。
相対論はニュートン力学の延長線にあると言えますので、アインシュタイン一人で、超人的努力ではありましたが、完成しました、ニュートン力学の極微の極限として量子力学が誕生しましたが、ニュートン力学の延長ではない力学だったせいでしょう、多くの偉大な頭脳を寄せ集めて、現在に至っています。
あなたは物理学史を学んだほうがよい。
またノーベル賞を辱める言動には猛省を促します。
当然ですが、ノーベル賞の選考は中学レベルの知識では不可能です。
中学生レベルの質問に答えなければならぬ義務もありません。
まずあなたが、中学レベルから脱しないと。
一言言うと、量子力学の先端の研究でない限り、原子の重量は陽子、中性子の和として扱って矛盾はほとんど発生しません・・・分かりますね？π中間子もその他の中間子も電子も無視です。

この回答へのお礼

回答して下さった方に感謝しますが、私は[明快に説明できる人がおられたら、教えて下さい。又は、明快に説明したサイトを教えて下さい。]というRequestを出しました。いずれの回答も、これに該当しておりません。従って、Best-Answerなしの状態です。
日本には先生、教授と名のつく人は沢山おられますが、本当にそれに値する人は　殆どおられない様に思います。
政府や官僚は少人数学級で先生の数を増やす事ばかりを考えていますが、私は数ではなく、少なくても良いから質を高めてほしいと思います。

お礼日時：2016/02/08 21:17

No.3 回答者： puyo3155 回答日時： 2016/02/04 23:16

回答がつきにくいのもわかりますね。

フェルミオンとボソンがごッチャになってます。物質を作るのがフェルミオン、その相互作用を司るのがボソンですが、回答しようにも、もしかして、素粒子、標準モデル、場の量子論など何も知らないのかもしれない・・・・と思うと、いったいどこから説明していいのかわかりません。全部説明すると教科書になってしまいます。なので、少なくとも、質問を分割し、ご自身の理解のレベルや前提の知識を公開し、何がわからないのかをもっと明確にしてみてください。たくさん、回答がつくと思います。

どんなにレベルが低い質問も、人それぞれの知識レベルはあるのでよいとしても、この程度の稚拙で表面的な知識で、ノーベル賞を否定することは、世の中の笑いもの、恥ずかしい行為だと思った方がいいですよ。あしからず。

No.2 回答者： doc_somday 回答日時： 2016/02/04 20:14

みんな同じことなのでΠオンだけ説明します、湯川先生とΠオンだけで充分です。

湯川先生は核子つまり陽子と中性子がなぜ・どうして結合できるのかを考えられました、その結論は「強い力」です。宇宙に力は四つしか無いことが分かっています、強い力、弱い力、電磁気力、重力。そしてこの力は結合を媒介する粒子として表わすことも出来る。湯川先生は「強い力」を媒介する粒子が存在するなら、それはこの程度だろう、そしてアインシュタインが示したようにエネルギーは粒子でもある。現在でも巨大加速器はつくばと欧州にしかない、昔はそんなのなんにも無かったので凄まじく大きなエネルギ－に相当するものは宇宙線の中を探すしか無かった。運良く(笑)核力に相当するエネルギーのかたまりであるΠオンが見つかった。なぜ原子核の質量は核子にΠオンをくわえ無くても良いのか、それは電磁気力で説明すると分かり易い、プラスの電荷とマイナスの電荷を引きつけ、場合により弾くのは「光」なのです。光は電磁気力を媒介する。幸か不幸か光には「エネルギ－はあるが質量は無い」これも謎でヒッグス粒子が実証されるまで中途半端でした。でもエネルギーはあるのに質量が無いとアインシュタイン先生の理論と矛盾します、だからこそヒッグス粒子が必要だった。光に重さがあればプラスとマイナスの粒子対には光の質量をくわえなくてはならない、それはあなたの疑問でありみんなそう思う、でも「力を表わす粒子」は質量はあるが力を媒介する時は考えなくても良い、その質量は「結合エネルギー」の形で存在し重さは量れ無い。
クウォークとグルーオンに統一されても考え方は同じです。湯川先生が賞を受けられたとき新聞もラジオも「粒子が見つかった」とはやしましたが、それは「強い力」が実証されたと言っても、それ何おいしい？になるので、やたらに分かり易い方法にしただけ。

No.1 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2016/02/04 20:07

明確な思い違いされています。

　電子と原子核、あるいは正電荷と負電荷でもよい。その間に働く電磁気力は、光子の別の姿です。しかし、原子は原子核と電子と光子でできているとはいわない。
　中間子はその核力が解放されたとき初めてあらわれるものであって、通常は存在と非存在の間を振動しているに過ぎない。非存在の時はそれはエネルギー---結合エネルギー--という形をとっている。

　要は、電磁気力、重力、強い力、弱い力のすべては、それが粒子として顔を出すときもあれば、単なるエネルギーで現れるときもある。
　大学の化学の最初の最初、波動関数の導入部分で、電子を波動--すなわちエネルギー--で表すと、原子核に落ち込む矛盾を回避できると習うはずです。普段は電子は粒ではない。しかし、何かをぶつけると、たまたまそこに粒子てして顔を出した時と鉢合わせすると電子が飛び出してくる。

　陽子や中間子の世界も同じです。それこそが波動関数の真髄ともいえる。
＞それならなぜ、原子核は、 (陽子＋中性子＋π中間子)で構成されると書かないのでしょうか?
　存在と非存在の間を激しく遷移している---波、粒のままだとバラバラになり、もはや原子核じゃなくなる。その証拠に核分裂すると中間子も出てくるでしょ。

　啓蒙書のような上っ面ではなく、きちんと基礎から学ばれるとよかろうかと。