痔になりやすい生活習慣とは?

 原子と原子の間はすごく距離があるわけですよね。
 たとえば、両手ですが、両手をつくっている原子は間隔がかなり開いていると思います。
 それなのに、両手はなぜ合わせたときぶつかってしまうのでしょうか。 
 なぜ素通りできないのでしょうか?

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A 回答 (8件)

#1で回答したの者ですが、


この話も、ちょっと入れといたほうが良いかと思いましたので書きますね。


もしも、両手をくっつけたとき、金属結合や化学結合などと同様に「くっつく」と仮定すれば、その場合、両手を離すことが出来なくなります。

話を、「人間の両手」ではなく、金属ということにしてみますね。
もしも、2つの金属の塊の表面が平坦で、かつ、化学研磨などをされた非常にファインな状態の表面であると、2個の金属をくっつけると、本当にくっつきます。
つまり、金属結合します。

私は、理科(物理?)の授業で、その現象を確かにこの目で目撃しました。(高校だったか大学だったか忘れましたが)

なお、
両者の間が真空になって、下敷きをテーブルの上に置いたときに持ち上げにくくなるような、「吸い吸いし合ってる」状況でもないです。なぜならば、真空中でも起こりますから。

(本題と関係ないですが、「吸い吸い」の方も、本当のところは、周りの空気が「押し押し」なんですが。)


そして、
上記を書こうとしたところ、今さっき、#4さんのご回答を拝見したのですが、
「マイナスとマイナスが反発しあう」の論理では、上記の、金属の塊同士がくっつくことを説明できません。

そのモデルでいけば、マイナスとマイナスの間の距離が、無限にゼロに近づくところまで、ものすごく強い力で一所懸命押し当てたとすれば、その、押す力を緩めた途端に、爆発的なスピードで、お互い、はるかかなたへ吹っ飛んでいきます。


手の皮膚・肉を作っている有機化合物も説明できません。なぜならば、「同じ極性」の手を4本持っている炭素同士が、同じ極性の手同士をつないでいることが説明できないからです。

かといって、逆に、
金属であれ化合物であれ、何故、結合しても、完全に一体になることなく、それぞれの原子1個1個が、ほぼ、元の大きさに近い大きさを空間的に占めているかも説明できません。

さらには、(話は全く別ですけど、)原子核に複数のプラス電荷の粒子(陽子)同士がめちゃくちゃ近接しているという、とんでもない状況も、説明できません。


これらは、全部、量子力学の話なんです。

個別の現象を個別の論理「だけ」で現象論的に組み立てて説明しようとする人が、よくいるのですが、全て「量子力学」という名の日本国憲法の下で、「法則」「定理」という名の法律・政令・条例が成り立っていることを説明しなければ、嘘をつくことになってしまいます。

お婆さんの知恵・主婦の知恵という言葉は、私は大好きですが、理由を説明するには、やはり避けて通れないところはあります。
(ですから、私は、くどくどと書いてしまいました。)



お婆さんの知恵で立派なのは数々ありますが、
「雷様にへそを取られる」
と子供に教えるのは、実は、

雷=寒冷前線が迫っている=もうすぐ気温が急降下する→子供がお腹を出していると体を壊す

という論理なのでは、という説を聞いたことがあります。
この話を聞いたときは、感動しました。

子供には気温の急降下(量子力学)を説明してもわからないので、「雷様」とうおとぎ話で説明していた、ということなんですかね。


また、
私は大学のときの専攻の関係で、粒子同士の衝突や、粒子が塊(材料)に衝突・入射したときに起こる現象についても、色々学びましたが、
全部は覚えてないですが、
ラザフォード散乱のようなモデルによる衝突、剛体球衝突、その他色々な衝突のモデルがあります。


2つの粒子が出会う(衝突する)とき、お互いの体の大きさ(=専門用語で「断面積」と言います=ぶつかる確率、ぶつかりやすさ)が、どれぐらいの大きさに「見えるか」は、モデルによって様々です。

加えて、そういった衝突断面積、反応断面積は、衝突するときの速さの関数になったります。つまり、速球ピッチャーと、スローボールピッチャーとで、投げた球が、バッターにとって違う大きさに見えるんです。


以下は、おまけです。

日本の原子炉では、炉の中に水があって、そこにウランの燃料棒が浸かっていますが、水は熱を取り出すためだけにあるのではなく、中性子のスピードを遅くするための役割も果たしています。(この場合、水を「減速材」と呼びます。)
つまり、一人二役です。
中性子を遅くすることによって、反応断面積が大きくなる、すなわち、ウラン原子核に「当たりやすく」なります。
大惨事があったチェルノブイリでは、水ではなく黒鉛(炭素)が減速材でした。
炉が破れたときに、日本と同じ型であれば、水が流出して抜けて、反応も止まっていたのですが、黒鉛は流出できませんからね・・・。
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この回答へのお礼

 ご回答感謝申し上げます。
 量子力学による説明がないうちは、いろいろなことが説明できなかったのですね。
 
 よくわかってきました。
 
 (量子力学も、あと数十年たつと、また説明できないことがでてきて、さらにすごい理論に取って代わられるかもしれませんね。素人考えですが。)

 ありがとうございました。

お礼日時:2006/04/17 18:34

混乱させることになりかもしれませんが。




原子と原子の間には距離が開いていて実際はかなりスカスカな印象です。加速器による実験などではこの反応率(クロスセクションといったりします)が少ないことで非常に苦労をいたします。(苦労しました。。。)


他の回答者の方が回答されている通り、原子炉では減速材を用いないと反応率が下がり(反応しなくなるので)減速させて反応率を上げます。これは、直感的にはそこを通る時間が長くなるので反応時間が長くなり、反応率が上がるということですね。


ではなぜ手だと通りねけられないかですが、減速材とおなじで、速度(正確にはエネルギー)が低いことにより、反応率が上がるからといえます。反応は他の方が言われているように、電磁気的な相互作用になります。
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この回答へのお礼

 ありがとうございました。
 あまり知識がないので少し難しかったですが、せっかくご回答いただきましたので、勉強させていただきます。
 感謝いたします。

お礼日時:2006/04/19 14:23

>両手はなぜ合わせたときぶつかってしまうのでしょうか。

なぜ素通りできないのでしょうか?

既に、多くの回答が寄せられていますが、私も高校生の頃、質問者さんと同じ疑問をもっていました。原子と原子の間の距離だけでなく、1つの原子について考えてみても、原子核と電子の間の距離は、すごく離れているのだから、原子はスカスカの状態(すき間だらけ)になっているはずです。では、なぜ、両手はなぜ合わせたとき、素通りできないのか、ということですが、これは、皆さんの回答にあるように、量子論的な力が作用するためです。しかし、これを簡単に理解するためには、質問者さんも、学校で習ったことがあるかもしれませんが、「パウリの排他律」(同一軌道に2つ以上の電子は入れない)で理解すれば良いと思います。
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この回答へのお礼

 なるほど。
 そういう理解もできるのですね。
 ありがとうございました。

お礼日時:2006/04/18 09:20

ラザフォードの実験を意識したご質問でしょうか。



基本的には、No.4のご回答にある電子の反発ということになるでしょうが、その電子は、原子核との作用による量子力学的な制約の元に原子核の周辺に存在しています。
したがって、電子そのものが、原子核の作用を強く受けており、通常は多数の原子核と電子が一体化して分子となっており、一定の空間を占有することになります。そのために、その隙間に他の原子が入り込むことはできません。

ラザフォードの実験では、高速のアルファ線(ヘリウムの原子核)を用いており、それには電子が存在しないから(すなわち原子核のみである)こそ参考URLのような結果になりましたが、実際の物質には電子がありますので、それらの間に反発が生じます。

参考URL:http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWor …
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この回答へのお礼

 ご回答感謝いたします。
 原子と原子の間にすきまはない、ということですね。
 
 ありがとうございました。

お礼日時:2006/04/17 18:26

 本の受け売りなんですが、「原子を取り巻く電子がマイナスであり、マイナスとマイナスは反発しあうから」だそうです。

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この回答へのお礼

 すみません。頭が悪いので、うまく理解できません。
 もう少し考えます。
 ご回答感謝いたします。

お礼日時:2006/04/17 18:24

質問の意味が分かりました。


原子と原子の距離が離れているというのは、原子を構成するものの一つである、原子核と原子核がかなり離れているということだと思います。原子核同士はかなり離れてはいますが、原子核の周りには球状に電子が自由に飛び回っており、その球の大きさは原子核に比べて、確か1840倍だったと思います。その球(飛び回っている電子もふくめて)を原子といいます。なので正確には原子同士は互いに接しているのです。ですから、その間を通り抜けることはできません。このような答えであっていますかね?
かなり距離をおいて、電子が
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この回答へのお礼

 電子雲があるので、すき間はない、という素人考えでいいのでしょうか。

 ご回答感謝申し上げます。

お礼日時:2006/04/17 18:22

例えば水の原子と原子の結合を解くことは「沸騰」といいます。

固体物質の原子と原子の結合を解くことは「破壊する」と言っていいと思います。

基本的に量子間や原子間の世界を我々の親しんだ世界と同じように理解してはいけません。

>原子と原子の間はすごく距離があるわけですよね。(中略)
>原子は間隔がかなり開いていると思います。

すごく距離がある、かなり距離があると仰られていますがどういう根拠で何を基準に距離があるのでしょうか?私にはとてもそうは思えません。
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この回答へのお礼

 原子核と原子核の間は距離があって、隙間が広い、という意味でした。
 わかりにくい書き方ですみませんでした。
 ご回答感謝申し上げます。

お礼日時:2006/04/17 18:21

原子核と原子核は、随分隙間があいてますが、


固体や液体の原子と原子は、隙間があるどころか、ほとんど、くっついてますよ。

長さの単位で「オングストローム」っていう単位を聞いたことありますか?
オングストロームっていうのは、原子の大きさを表すのにちょうどよい単位なんです。

ちなみに、
10オングストローム=1ナノメートル(1nm)
です。

「ナノテクノロジー」っていう言葉が流行ってますが、「ナノ」はnmのことです。

原子の大きさは1~10オングストローム程度です。

ネットで「格子定数」っていうキーワードで検索してみてください。
数オングストロームの数字が、たくさん引っかかるはずです。

格子定数(こうしじょうすう、と読む)は、固体の原子の間隔みたいなものです。
(正方晶であれば、原子の間隔そのものです)


なお、
日常、身の回りでよく目にする現象、すなわち、物と物とが素通りできない、当たり前の現象は、全部、電子のなせる業です。
原子核は全然関係なく、その周りにある電子(電子雲)です。


放射線や原子力などの特殊なケースを除けば、この世の中の現象は8割以上が量子電磁気学(電子と光)、残りが重力(重力子=グラビトン)です。
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この回答へのお礼

 ご回答ありがとうございます。
 電子のなせる業なのですね。
 納得いきました。

お礼日時:2006/04/17 18:19

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Q原子と原子の間は何?

早速質問に移らさせていただきたいと思います。
物質は、最小単位である原子がぎっしりと並ぶことにより構成されていると聞きます。しかし、原子は、球体のため、ぎっしり並んだところで、隙間ができるはずです。この隙間はどういった物質で満たされているのでしょうか?空気なのでしょうか?しかし、空気とは混合気体であり、それぞれも原子からできているので、中に入り込むことはできないと思います。となると、真空と考えるべきなのでしょうか?どうか、よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

>真空と考えるべきなのでしょうか?

これは物質の存在に関わるけっこう難しい
問題で、最終的結論はまだないというのが
正確でしょう。

 現時点においては、量子力学的
解釈として、物理的真空状態というのが存在
しているという説明が成り立つと思います。

 原子と原子が結合しているのは、イオン結合
とか共有結合とかいろいろな形で引力が働いて
いるからですが、これらは一言でいうクーロン力
です。
 クーロン力は仮想光子によって伝達されていますので、
原子核と電子間も含め、原子間にはこの仮想光子が
発生消滅する場が存在しているのですが、この光子が
仮想と言われているのは、その存在はクーロン力の
発生から分かるのですが、プランク時間以下という
非常に短い時間しか存在していないので、それ
だけ単独で取り出せないのです。
 しかも光子が存在しているということは本来、
エネルギーが存在していると言えるはずなのですが、
単独で取り出せないというところからも分かるように
エネルギーが測定できない、何もないのと同じなんです。

 クーロン力を伝えるために仮想光子は無からいきなり
生まれ、すぐ消えてしまう。これを量子力学的
揺らぎといい、これはプランク時間以下という非常に
短い時間には、エネルギー保存の法則が破られて
いることを意味します。

 原子間には、そこに何かがあるかどうか
測定しようとすると、何も観測できないが
存在が確認できない仮想光子が発生消滅を
繰り返す場が存在しているのです。

 真空というと何もないという印象があると
思いますが、仮想光子が生まれるということは
本当に何もないというのとは少し違う。
このような量子力学的揺らぎが存在して
いる状態を物理学真空といいます。




>物質は、最小単位である原子がぎっしりと並ぶことにより構成されていると聞きます。

 20世紀初頭に確立した分子論、原子論から
くる粒子論の考え方からはそうゆイメージに
なりますが、素粒子の衝突実験などから
1960年代になると、粒子という存在が
疑われ始めました。
 物質の基本単位が原子であれ、クウォークであれ
それが粒子であるとすると矛盾するような実験結果
が出始めたのです。

 物質の究極の形が粒子でないことはほぼ間違いない。
ではいったい真の姿は何なのか議論が始まりました。

 まだ結論に至っていないため、高校の物理や
大学でも化学の世界などでは、暗黙のうちに
粒子論を定説として扱っていますが、
原子がぎっしりと並ぶといったイメージは、
真の姿からはほど遠いと考えて間違いないでしょう。

 現在、非粒子論の最有力候補は超弦理論ですが、
この理論も物理現象のある側面を捉えているに
過ぎない可能性が出てきておりさらなる発展が
期待されています。

 超弦理論のほかにもいくつか有力候補があるのですが、
どれが正しいということではなく、1つ現象を
皆違って角度で捉えているだけという可能性が
でてきており、最新の物理学理論全体の再構成が
望まれてきています。

 それらいくつかの理論をおおざっぱに捉えると、
物質と空間というのは、同じ存在の裏と表のような
関係で、人間が勝手に何もない真空に物質という
存在があると捉えているだけという可能性が
強くなってきています。


 現時点では数式による議論が進行中で、
並んでいる原子のように、イメージを
具体的な絵でか書き、簡単に説明する
ところまで行っていませんが、基本と
なるのはおおざっぱに言うと数学の複素空間、
多様体と呼ばれているものです。

>真空と考えるべきなのでしょうか?

これは物質の存在に関わるけっこう難しい
問題で、最終的結論はまだないというのが
正確でしょう。

 現時点においては、量子力学的
解釈として、物理的真空状態というのが存在
しているという説明が成り立つと思います。

 原子と原子が結合しているのは、イオン結合
とか共有結合とかいろいろな形で引力が働いて
いるからですが、これらは一言でいうクーロン力
です。
 クーロン力は仮想光子によって伝達されていますので、
原子核と電子間も含め、原子...続きを読む

Q原子ってスカスカなのに・・・

原子はあんなにスカスカなのにも関わらず、どうして(幼稚な表現ですが)”詰まっている”のでしょうか?
スカスカなものはいくら集まってもスカスカな気がしますが、現に私は存在していますし、物体に触れることができます。
とても不思議です!

よろしくお願いします!

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確かにスカスカですよね。

だから物質に小さいものをぶつけると、隙間を通って貫通するんです。
例えば、ニュートリノというとても小さい粒子があります。原子よりはるかに小さい素粒子です。宇宙から降ってきています。超新星が爆発したときにいっぱい出るみたいです。

あんまり小さいので、原子のスカスカの隙間を通って、ほとんど地球を通過します。例えばあなたの体を1秒間に1兆個ぐらいのニュートリノが通過しているそうです。
ほとんど貫通するといっても、少しはぶつかるのがあります。小柴さんは、地下の大きな水がめにぶつかるニュートリノを観察してノーベル賞を取りました。
そういう意味では、ニュートリノは何億年もの間、超高速で飛んでいるのに、何にも触れることができないでいます。

原子はスカスカですが、原子の中の陽子と電子はすごい力で引きあっています。クーロン力で引き合っています。
物質は集まると、引き合います。電子が手助けをして、共有結合とか金属結合といわれる結合で、原子と原子をくっつけます。
物質は、原子同士がそういう結合で、手と手を結んでつながっていると思ってください。

手をつなつなぎあった物質は、他の手をつないだ物質とはぶつかりますし、触れることもできますよね。

確かにスカスカですよね。

だから物質に小さいものをぶつけると、隙間を通って貫通するんです。
例えば、ニュートリノというとても小さい粒子があります。原子よりはるかに小さい素粒子です。宇宙から降ってきています。超新星が爆発したときにいっぱい出るみたいです。

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Q丸い原子や分子どうしの隙間は何と呼ぶの?

ある物体が原子や分子で構成されてるなら、
その「すきま」は厳密にはその物体じゃないってことですか?
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つまり、隙間なく詰まっていても、必ず隙間が生まれる筈です。
その隙間は、「ある物体の一部」とは表現出来ないんじゃないでしょうか。

Aベストアンサー

高校程度までの教科書等では、確かに原子は丸く描かれています。もし仮に原子が球体だとすれば、その間には隙間が生まれることになりますが、厳密に言えば原子は球体ではありません。球体として描いた方が原子の構造を説明(イメージ)しやすいためにモデル化して描いているだけで、実際の原子は球体とは言いきれず、一概に「この形」だと特定できるものではありません。

そのため、「ここに隙間がある」とも言えませんので「ある物体の一部」という表現がなされても大丈夫と考えていいと思いますよ^^

Q物に触れるという現象

物に触れるという現象は、ミクロな視点で考えるとどのような現象なのでしょうか?

例えばテーブルに指で触れることを考えます。指の皮膚とテーブルの表面が"触れる"という感覚を人間が感じるのは、指先の原子(言い方が変かもしれませんが)とテーブルの原子がどのような距離関係になったときなのでしょうか?そして、どのような種類の「力」を感じているのでしょうか?

御回答お待ちしております。

Aベストアンサー

ご存知の通り、あらゆるものは原子で出来ていますが、その表面は全て電子雲です。
ですので、物質同士の衝突は、表面の電子雲同士の衝突ということになります。
距離関係となると、接触する各原子の「ファンデルワールス半径」を使うのが妥当でしょう。
例えば、ファンデルワールス半径のAの原子と、半径Bの原子が接触したときの距離は、A+Bという感じです。

さて、手でテーブルを押さえると、手とテーブルの分子同士の表面がぶつかります(ファンデルワールス接触)。
実際には、電子雲同士の電気的反発が生じます。
さらに手でテーブルを強く押していくと、互いの原子はより密にされるため、電子雲は圧縮されるようになります。
が、電子は不確定性原理により、ある一定以上の範囲で原子核から広がりをもって存在しなくてはいけないので、圧縮しようとすればするほど、反発しもとの大きさに戻ろうとします。
余りにも強くテーブルを押さえると、原子はそのままの大きさを保とうとするので、分子間の結合が弱いところから押さえるエネルギーが消費されて壊れていきます。多くの場合、手の方が先に壊れるでしょうが。。。

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実際には、電子雲同士の電気的反発...続きを読む

Q【宇宙の誕生】【ビッグバン】「無」から物質が何故発生するのでしょうか?

宇宙が誕生する前、つまり、この世界が誕生する前というのは「無」であったという説がありますが、「無」から何故物質が誕生しうるのでしょうか?
それを考えるとやはり「神」という存在が浮かび上がってしまうのですが、ではその「神」というものはどこから誕生したのか、哲学の域に達してしまいもう何がなんだか分からなくなってしまいます。
すいません、おかしな方向に行ってしまいましたが、質問の要点は「無」という状態から物質が発生することはありえるのでしょうか?
よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

質問者さんはマウスに置いた手とマウスがどうして融合してしまわないかご存知ですか? それはモノとモノはぶつかりあっているからですよね。でも、実は厳密にいうとちょっと違うのです。
手とマウスをどこまでも細かく砕いていくと原子レベルまで細かくなります。しかし、この原子の並びは実はとてもスカスカに空いています。野球場のピッチャマウンドを原子核だとすると、ちょうど野球ボールくらいの大きさ電子は観客席のあたりをグルグル飛び回っているようなくらいです。その間には何にもありません。本当の意味で真空なんです。
となると、手の原子たちとマウスの原子たちがぶつかりあっ ているというのはちょっと考えられませんよね。では、なぜ混じりあわないのでしょう? それは、互いに反発する「力」があるため手とマウスが溶け合うなんてことにならないのですね。というように、本や机などこの世界は「力」で満ちていることがわかります。これは「力(エネルギー)」というものが「有」るということを実感してもらうための説明です。

ここで「力」が有るということはわかりました。一方、「モノ」の方はどうなんでしょうか? そもそもマウスというものはあるんでしょうか? はい、もちろんあります。哲学ではなんやかやといいますが、科学的には存在しています。
さて、そこで科学でいう「存在」です。この世に手やマウスが有るのはわかります。さらに私たちの知識ではそれらが原子で構成されていることも知っています。さらに素粒子というものに分かれるということを知っている人もいるでしょう。

素粒子というと、なんかすっごく細かいツブツブのようなイメージですよね。この世のすべてのモノはこのツブからできていると。しかし、実際はそんなツブツブは存在していないのです。科学のことばでいえばツブが有るのですが、日常の私たちのことばでいえば、そんなものは無いのです。ただ「力」が影響しあっているだけだといえるでしょう。

つまり、この世界に「モノ」なんていうものは 無 い のです。

じゃ、何があるんだ? といえば「力」だけが有るんですね。宇宙には何も無い、有るのはエネルギーだけといってもいいでしょう。はい、これが「有」ということ(状態)です。

では「無」とはなんでしょう? 無は通常0ですから、あらゆるものを宇宙全体から引き算していけばいいわけですよね。つまり、この世のエネルギーをどんどん取り払って引き算していきます。計算の途中経過は私にその知識も能力もありませんので、割愛しますが、科学者は、その結果が完全に「無=0」になることはない、と言っています。チラチラ振動している状態、つまり「ゆらぎ」の状態こそが「無」だというのです。科学でいう「無」というのは、私たちのことばでいう「何も無い」ということではなくて、エネルギーのゆらぎというのは絶えず存在している状態ということをさしています。
じゃ、力・エネルギーってなんだよ? その「ゆらぎ」を取り払ったらどうなるんだよ? という疑問がわきますね。しかし、その答えは分からない、科学では分かりようがない、ということになるそうです。科学で突き止めようのないことをいくら考えても、それは竜宮城と同じレベルのオハナシにしかなりません。ここまでなのです。

ここからあとが、#2さんのご説明に続きます。

※これはインフレーション宇宙論という仮説に基づいたものです。現在、最も信頼性が高く、今後ノーベル賞が続出であろうといわれる説です。
        --大急ぎでかいているため乱文すみません。

質問者さんはマウスに置いた手とマウスがどうして融合してしまわないかご存知ですか? それはモノとモノはぶつかりあっているからですよね。でも、実は厳密にいうとちょっと違うのです。
手とマウスをどこまでも細かく砕いていくと原子レベルまで細かくなります。しかし、この原子の並びは実はとてもスカスカに空いています。野球場のピッチャマウンドを原子核だとすると、ちょうど野球ボールくらいの大きさ電子は観客席のあたりをグルグル飛び回っているようなくらいです。その間には何にもありません。本当の...続きを読む

Q電子はなぜ原子核に落下しない?

素朴な疑問です。
原子核はプラス、電子はマイナス。なのになぜ電子は原子核に落下しないのですか?

Aベストアンサー

http://oshiete.goo.ne.jp/qa/36150.html?order=asc
参考まで

Q物質の原子構造はスカスカであるというが

 
物理の本によると、物質の原子構造は、液体であれ、個体であれ内部はスカスカであり殆ど空洞に等しいといわれています。
これは銀や銅などの電導体においても同じであるとされています。

一方、導体が電気抵抗をもつのは電流を引き起こす自由電子が原子核などに衝突して自由電子の運動が妨げられるからであると説明されています。

なぜスカスカの物質内において自由電子が原子核に衝突するのでしょうか。
 

Aベストアンサー

 膜ではないですが、最外殻電子軌道を原子の大きさと考えても、概ね正しいようです。古典電磁気学に出てくるような、最も初等的な最初の物性論的考察では、物質は導体と誘電体(不導体)に分けられます。

 導体の代表は金属材料ですが、金属では最外殻電子軌道が隣り合う原子で、少しオーバーラップしていると、最も初等的には説明され、ほとんど古典的発想です。そうすると最外殻電子は、元の位置から隣の最外殻電子軌道へ、その隣へと渡り歩ける事になります。これが自由電子ですが実情は、最外殻電子軌道がオーバーラップしている限りは、という条件付きです。
 電子の移動は電流なので、この渡り歩きはランダムなはずです。そうでなければ電流が見えてしまうからです。ランダムな渡り歩き状態を表す状態量(かな?)が、フェルミの何とかに当たります。導体に電場が生じると、ランダムウォークに方向性が与えられるので、それが巨視的な電流として見える事になります。

 一方、誘電体(不導体)では、最外殻電子軌道はオーバーラップしません。それで電子が原子から出て来る事はなく、電場が生じても電流は流れません。ただし電場により原子内で原子核(陽子)と電子軌道は、電場方向への偏りを起こし、打ち消しあっていた±の電荷が見えるようになり、新しい電場が生じたかのように見えます(もともとあったんですけど)。これを分極(誘電)と言います。

 ところで誘電体で隣り合う原子は、これでは相互作用せず、バラバラに分解しそうです。マックスウェルに続く、19世紀末~20世紀初頭のローレンツはこの点に関して、恐らく史上初の物性論的考察を行い、物体の原子は電気力,磁気力によって結合し支え合っている、という電磁論的自然観のモデルを提出します。このモデルは今でも、基本的には正しいです。ただし相互作用の内部機構は、全くわかっていませんでした。それを次第に明らかにして行ったのが、量子力学の主要な動機づけも与えた原子物理学です。

 という訳で、電子と原子の衝突を語るには、電子と原子の相互作用を(主に)担う電気力を考える必要があります。電流となった自由電子は、電場によって与えられた余剰な運動量や運動エネルギーを持っています。ミクロの世界では、どちらも保存するので、ここではどっちを使っても同じです。

 隣の原子に自由電子が軌道を乗り換えるという事は、その電子が、隣の原子にトラップされるという事です。隣の原子の最外殻電子軌道は、電流の方向と平行ではありません。そこでトラップされた電子は、あらぬ方向へ行こうとし、電気力を通じて隣の原子の原子核を揺り動かすはずです。ランダムウォークの場合は短時間に全方向への揺れが起きると考えられるので、原子の時間平均位置は静止しているように見えますが、電流の方向性があれば違います。原子核が揺れれば、その周囲の不自由電子軌道も揺れるので、原子全体が揺れた事になります。

 原子が揺れたという事は、電流となった自由電子と原子は、電場によって与えられた余剰な運動量を交換した、という事です。原子の揺れとは熱の発生であり(熱/統計力学)、運動量の交換は、ニュートン力学において「衝突」と言われます。

 以上の話で問題になる点は3つあります。一つ目は、電流となった自由電子と原子の相互作用は、そんなに強いのか?という点です。強いと考えざる得ません。たとえ物質がスカスカであっても、それを支えて物体形状を維持するくらいに、電子と核子の電気力,磁気力の密度は濃い訳です。これは経験事実です。

 2点目は、原子同士はこすれ合ってもいないのに、なぜ熱が発生するのか?という点です。統計力学については言いすぎかも知れませんが、「熱とは、原子(分子)運動の、運動エネルギーの平均値だ」という事を、「内部機構に関わる事なく」、色々な経験事実から明らかにしたのが、熱力学の素晴らしい点です。

 もちろん、その具体的機構は追求されます。それがたぶん、#1さんや#2さんが仰っている量子的な機構です。しかし、熱力学によって明らかにされた現象論的法則がなければ、統計力学や量子的考察も不可能だったと思います。このような事は、ニュートン力学にも該当します。

 3点目は、衝突とは何か?です。ニュートン力学によればそれは、運動量の交換です。ここでは敢えて量子力学に対して、ニュートン力学を現象論的法則と呼びます。
 電磁気学にも運動量保存則と、エネルギー保存則はありますが、物質としてニュートンの運動方程式に従う荷電粒子(電子や陽子)の運動量と力学的エネルギーと込みにして、電磁場の運動量保存則やエネルギー保存則を語るのが本来です。つまり「内部機構に関わる事なく」、色々な経験事実から、運動量やエネルギーの概念を導いたのが、ニュートン力学の素晴らしさの一面です。それは電磁場にさえ適用可能なものでした。そしてこの現象論的法則は、まるごと4世紀の間、適用範囲内(銀河系以内の日常経験)に対して、一回も不正解を与えていません。信じるしかないと思えます。

 という訳で、電流の方向性を持った自由電子と原子との相互作用を、「衝突」と呼ぶ訳です。今では、具体的衝突内部機構も量子力学に基づいて、かなり詳細に検証されています。

 膜ではないですが、最外殻電子軌道を原子の大きさと考えても、概ね正しいようです。古典電磁気学に出てくるような、最も初等的な最初の物性論的考察では、物質は導体と誘電体(不導体)に分けられます。

 導体の代表は金属材料ですが、金属では最外殻電子軌道が隣り合う原子で、少しオーバーラップしていると、最も初等的には説明され、ほとんど古典的発想です。そうすると最外殻電子は、元の位置から隣の最外殻電子軌道へ、その隣へと渡り歩ける事になります。これが自由電子ですが実情は、最外殻電子軌道が...続きを読む


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