原子と原子の間（すきま）はなぜ素通りできない？

Question

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？

sanori · Accepted Answer

＃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・・・。

sanori · Answer

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。

noname#27143 · Answer

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。

ken020 · Answer

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

noname#25358 · Answer

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。

w-palace · Answer

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/MicroWorld/Part2/P25/Rutherford_model.htm

ojisan7 · Answer

>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。

goma_2000 · Answer

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。

原子と原子の間（すきま）はなぜ素通りできない？

原子核と原子核は、随分隙間があいてますが、

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。

質問の意味が分かりました。

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。

ラザフォードの実験を意識したご質問でしょうか。

＃１で回答したの者ですが、

>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。

混乱させることになりかもしれませんが。

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