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原子核や電子は拡大して映像として観察できるのですか?
ウイルスを顕微鏡で拡大して見ることができるように観察可能かという疑問です.
そのような方法ができないとしたら、どうして原子核の構造を説明できるのですか?
元素の種類(水素、ヘリウムなどの元素の種類)により原子核の構造は異なるのですよね.

教えて!goo グレード

A 回答 (6件)

仮に撮影出来たとしても、原子核内の核子はおよそ光速の1/6くらいの


超高速で狭い原子核内を運動しています。

超超超短時間のスナップを撮らないと何もうつらないでしょうね。
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#3回答にある”大きい原子核はもう電子顕微鏡で像を結んでいる”とは知りませんでしたが、原子が規則正しく並んでいる状況は電子顕微鏡で観測できてます。

私は、これからもそれが限界ではないかと思います。原子核は原子よりも何桁も小さいですから、原子核の観測は出来てないし、今後も出来ないであろうと予想します。
あなたの質問は、電子顕微鏡でどこまで小さいものが観測できるかと言い替えることができます。それについては、私のこのサイトにした質問が参考になると思います。
< https://oshiete.goo.ne.jp/qa/11455461.html >
その質問は、”電子の加速電圧を高くしていけば電子波の波長は短くなるので幾らでも小さいものが見える”と言われているが、”電子が衝突する際のエネルギーが大きくなって、観察対象が動くから自ずと観測限界が生じる”のではないかというものでした。
その時寄せられた回答には納得できなかったのですが、その後自分なりに解決しましたので紹介します。
電子顕微鏡は、電子を試料全体に照射してその透過度を観察する透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope: TEM)と、電子を試料に照射する位置を走査して、そこから出てくる二次電子を観察する走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope: SEM)があります。
さらに、TEMには、光学顕微鏡と同様に電子の透過度を見る方式以外に、電子の回析を見る方式があります。電子顕微鏡で原子を観測する場合には後者の測定方式が必要です。これは、電子が観察対象に衝突する現象でなく、電子波の回折現象を見てます。このため、衝突が起きないように試料は極限的に薄くする必要がありますし、少なくともある規模以上に対象構成要素が規則正しく並んでいなければなりません。また、電子顕微鏡で電子が通る経路にも(光学顕微鏡での位相差顕微鏡に準じる)特殊な設定を要します。
この電子波の回析現象を用いて初めて規則正しく並んだ原子は観測できまる訳です。
しかしながら、今回の質問にある原子核は観測できないでしょう。それは、電子波の回析には、原子核よりも、その周りを周回する電子が大きく影響するからです。
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「ウイルスを顕微鏡で拡大して見る」という事はどのような物理過程を経ているか考えて(あるいは調べて)みましょう。

細菌は光で見えますがこれは光子と細菌を構成している物質の分子に含まれる電子によって散乱された光子をレンズを使ってそれぞれの電子がレンズに向かって飛んできた方向に応じて曲げて集めています。ところが光の波長は1ミクロン」の半分程度なのでそれ以下の間隔はぼやけてしまいウイルスは見えません。ウイルスを見るためには光よりも波長が短い電子を使います。X線を使っても見えますが顕微鏡を作るのが難しい。電子の場合もウイルスを構成する物質の分子の電子によって散乱された電子の方向を光と同様に電子レンズで像を作ります。高電圧で電子を加速してエネルギーを高くするほど電子の波長は短くなり、細かいものまで見えるようになります。今では原子の並び方まで見えるようになっています。原子の並び方を見るためにはトンネル顕微鏡という違う原理のものもあります。
 さて、ご質問の原子核や電子やですが、原理的には電子を加速してエネルギーを高くするほど電子の波長は短くして細かいものまで見ることに変わりはありません。しかし高エネルギーになるとレンズのような便利なものが使えないので沢山の方向から跳ね飛ばされた電子や反応で飛ばされた粒子の種類とエネルギーを測定して原子核の内部を探ります。このようにして知ることができるのは電荷分布(陽子の分布)です。またこの大きさになると量子式学的効果が大きいので昔からある原子モデルのようには行きませんがある程度は古典的なイメージで考えることができます。電子は古典的には点。原子核は大きさを持った塊などです。
http://ne.phys.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld …
(このサイトは文字コードがshift-JISなので文字化けするかもしれません)
現象の説明に都合の良いモデルを使えば良いのです。
 原子核は大きさを持った塊と考えても陽子や中性子の間隔は非常に小さいので原子モデルのように核の周りを回っている電子の様にはなりません。むしろ多くの星が集まっている銀河系中心の中の星の運動に似ています。沢山の核子が作る平均的なポテンシャルの中を陽子が動いていると考え方程式を解くと、原子の周りでは電子のエネルギーが飛び飛びの値にしかならないように、核の中では陽子が飛び飛びのエネルギーしか採れないことが分かります。これが殻模型と言われる原子核モデルでガンマ線放射のエネルギーがよく説明できます。
 もっと小さな陽子の中身である素粒子ももっとエネルギーが高い(波長が短い)粒子をぶつけて調べていますが、構造を知る方法は本質的には同じです。
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大きい原子核はもう電子顕微鏡で像を結んでるよ。


一部が凸になっているような、変則の原子核もあるとか。

原子核の構造は素粒子の標準理論で予測できる。
陽子、中性子、強い力、弱い力、フェルミオン、ボソン、・・・
過去の観測の積み重ねから標準理論のモデルが提唱され磨き上げられ他の理論の追随を許さないまでに昇華された。
新たな観測事実によって覆される可能性はまだあるものの、今のところ
「この理論が、観測事実をもっとも正確に合理的に説明できる」
という地位を独占している。
だから、まだ確認不足のところはあるものの
「事実と考えて差し支えない」
と認められている。

そして、この「事実と考えて差し支えない」というのが物理理論を支えるコンセプトである。
ニュートン力学も相対性理論も熱力学も量子論も「事実」ではない。
「事実」を名乗るなら、理論そのものとそれを支える条件のすべてが分かっていなくてはならない。
ニュートン力学も相対性理論も熱力学も量子論も「事実と考えて差し支えない」なのである。
標準理論もそういう理論のひとつである。

電子はたぶん画像化はムリ。
今の知見だと、電子は「数学的な点」と規定されている。
「数学的な点」とは空間的な広がりを持たない点のこと。
要するに体積を持たないということ。
体積がないのだからつまり「体積ゼロ」ということで、いくら倍率を上げても影も形も見えてこない。

というより、電子の場合「そこに何かがある」でなく「その空間が特異的な物理量を示す」と解釈されるようになっている。
電荷とか質量とかスピン量とか。
変哲もないはずの空間が特異的な量を示す。
これを説明するために「ドブロイ波」などの仮説が提唱された。
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現時点では電子は点だと考えられています。

つまり顕微鏡の性能がどんなに上がっても点にしか見えない事になります。その代わり(電子に限りませんが)霧箱や泡箱と言った装置を使って素粒子の飛跡を写真に撮る事ができます。それ以前に電子の場合は陰極線と言う形で直接見る事ができます。
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原子核の構造についてはずっと昔から議論が繰り返されていて、実験で生じた現象から「こういう構造なんじゃないか?」と仮説が立てられ、いくつかの説が出ては覆されてきました。


1930年代ごろに発表されたものが、現在まで通説となっています。
直接観察することはできませんが、「原子模型の歴史」など調べてみると、色々解説してるページが出てきますよ。
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