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古典力学と量子力学との違いって何なんですか?
物質によって古典力学と量子力学を使い分けて計算するのですか?

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量子力学」に関するQ&A: 量子力学の利用

A 回答 (3件)

>古典力学と量子力学との違いって何なんですか?



古典力学は、原子とか電子とかいう粒子論が認められる前に
出来上がった学問で、物質内部のミクロな構造のことが考慮されて
いないんです。

 だから大雑把に言うと、電子の運動とかミクロの世界を
計算するときには量子力学を使うのですが、そのミクロの
世界の物理的効果が、目に見えるマクロの世界に出てくる
ことがあって、そういうときは目に見えるでかい(マクロ)の世界
の現象も、量子力学の考え方で計算するんです。

 実際、量子力学の発想は、目に見える光の強度を考えた
ときに出てきたんです。鉄を溶かす溶鉱炉から出て
くる光で、溶けている鉄の温度を予想しようとしたときに
古典力学の考え(光は電磁波という連続した波であるという
マックスウェル方程式の考え方)では計算できない事が分かった
ため、プランクという人が、計算式を検討したところ、光のエネルギー
が不連続、つまり量子化されていることに気づいたんです。
これは現在、「黒体輻射の問題」と言われていますが。

>物質によって古典力学と量子力学を使い分けて計算するのですか?

 扱うエネルギー、或いは問題になるエネルギーの大きさで使い分けられて
いると思います。光子1つ分のエネルギーとか、非常に小さな
エネルギーが問題になるときは、量子力学を使うと
いう考え方でいいと思いますが、先の「黒体輻射の問題」の
ように、現象事態は目に見える大きな世界の話の場合もある
わけです。
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この回答へのお礼

一つ疑問があるのですが
分子動力学って分子とかを扱ってるのに
なぜ古典力学を使ってるのですか?

お礼日時:2007/01/19 00:00

一言で言えば、古典力学は物理量を連続的に取り扱うのに対し、量子力学は離散的に扱うというところではないでしょうか。



物質の素粒子は量子力学的振る舞いをするので、厳密にはミクロからマクロまですべてのレベルで量子力学で考えなければならないのだけれど、ある一定以上の大きさになると、統計的な処理ができるようになり、便宜上連続的に捉える古典力学がよい近似として使えるようになり計算が格段に容易になるからだと思います。
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この回答へのお礼

統計処理ができれば古典で
できなければ量子ですね
ありがとうございました

お礼日時:2007/01/18 23:58

古典力学(ここではニュートン力学~解析力学とします)は、人間の目に見えるマクロな世界を扱っていますが、量子力学は電子や原子核など非常に小さなミクロの世界を扱っています。



古典力学は初期状態が決まると一意に答えが求まる決定論ですが、量子力学では答えが確率論になります。
キーワード:不確定性原理、シュレーディンガーの猫

> 物質によって古典力学と量子力学を使い分けて計算するのですか?

扱うものの大きさ、ですね。

参考URL:http://www.f5.dion.ne.jp/~mirage/hypams04/quantu …
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この回答へのお礼

なるほど、マクロとミクロで区別ですね
わかりました
ありがとうござます

お礼日時:2007/01/18 23:56

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Q量子効果について

ある文章で「どのような場合に量子効果が顕著になるか?」というのがあったのですか、量子効果が顕著とはどういうことなのでしょうか?

Aベストアンサー

 量子効果は正確な定義はないと言っていいのですが、おおざっぱには以下の感じです。

 全てを確定として数式化できる古典物理学(相対論を含む)では、物理現象が決定論的(理論的には何事も完璧に計算で求められること)、確定的(全てが完璧に観測できること)です。

 これに対して、近代物理学と言える量子力学では、物理現象は根本的に確率論的(乱数のように決められないこと)で不確定的(観測には根本的に不正確さがつきまとうこと)です。

 そういう量子力学を必要とするのが「量子効果がある」ということになります。物理現象を分析するのに、量子力学を必要とする度合いが高ければ高いほど、「量子効果が顕著になる」ことになります。

 少し具体的に言うと、まず対象とする物理現象がミクロであればあるほど、量子効果が顕著になります。たとえば、原子は原子核の周りに電子がありますが、その電子は「確率的に分布」しています。

 化学の教科書に、原子核の周りに円を描くような電子がある模式図(長岡模型)ではない、球や鉄アレイに帯がまとわりついている奇妙な雲のような形をした原子のイラストがあったりします。それは電子の確率的な分布を計算すると、そのような形になるということを表しています。

 そして、その量子効果が顕著なのは「観測していないとき」です。観測すれば、たとえば位置と速度であれば、位置か速度かどちらかの測定を正確にすればするほど、他方の測定は不正確になってしまいますが、ともかく何らかの確定性が現れます。

 それを不確定性原理と言うですが、観測していないときは本来の不確定性が顕わになります。それが奇妙な雲のような形の原子であったりするわけです。電子の位置を正確に測定すれば、観測後の電子の速度は分からなくなりますが、ほぼ一点にある電子が観測でき、雲のような原子にはならなくなります(観測終了後、また雲のような形に戻る)。

 こうした量子効果のため、たとえば、以下のような現象があります。

 電子を非常に狭い密閉した部屋に閉じ込めたとしても、電子は部屋の壁など関係なく「確率的に分布して存在」しているため、部屋の外にもその電子が存在してしまいます。すると、電子は部屋の壁を通り抜けてしまうことも起こります(トンネル効果)。

 絶対零度では、古典物理学では全てが凍結して固体になりますが、たとえばヘリウムは常圧では液体のままです。それは、位置と速度が不確定性の関係(おおざっぱには「位置×速度>」0と考えてOK)にあるため、位置が確定して、かつ速度が0になることができず、どうしてもヘリウム原子は動いてしまいます(零点振動)。そのため、絶対零度でも原子がほぼ静止した固体にならないのです。

 ミクロの現象では、マクロな現象では当たり前の確率計算に従わないことがあります。これは、量子力学創設期にアインシュタインらが量子力学への疑念としてEPRパラドクスを提示し、それをベルが不等式に表し(ベルの不等式)、アスペが実験して(アスペの実験)、間違っているのは量子力学ではなくEPRパラドクスだと証明したことが有名です。

 これらは、ミクロでの量子効果がはっきりと実証された例です。

 量子効果は正確な定義はないと言っていいのですが、おおざっぱには以下の感じです。

 全てを確定として数式化できる古典物理学(相対論を含む)では、物理現象が決定論的(理論的には何事も完璧に計算で求められること)、確定的(全てが完璧に観測できること)です。

 これに対して、近代物理学と言える量子力学では、物理現象は根本的に確率論的(乱数のように決められないこと)で不確定的(観測には根本的に不正確さがつきまとうこと)です。

 そういう量子力学を必要とするのが「量子効果がある」と...続きを読む

Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
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こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q古典力学と量子力学との違いについて

「古典力学と量子力学との違いについて述べたうえで、量子力学の哲学的問題を述べよ」という問題の端的で適切な答えが欲しいです。どなたか御教示いただければ幸いです。よろしくおねがいします。

Aベストアンサー

こんばんわ。

宿題のレポートか何かでしょうか。
「哲学的な」というのも問題が壮大すぎて・・・^^;

両者の違いを哲学っぽい言葉で表現すれば、
「古典力学は決定論、量子力学は非決定論(確率論的決定論)」
と表現することができます。

Qエクセルで計算すると2.43E-19などと表示される。Eとは何ですか?

よろしくお願いします。
エクセルの回帰分析をすると有意水準で2.43E-19などと表示されますが
Eとは何でしょうか?

また、回帰分析の数字の意味が良く分からないのですが、
皆さんは独学されましたか?それとも講座などをうけたのでしょうか?

回帰分析でR2(決定係数)しかみていないのですが
どうすれば回帰分析が分かるようになるのでしょうか?
本を読んだのですがいまいち難しくて分かりません。
教えてください。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるための指数表記のことですよ。
・よって、『2.43E-19』とは?
 2.43×1/(10の19乗)で、
 2.43×1/10000000000000000000となり、
 2.43×0.0000000000000000001だから、
 0.000000000000000000243という数値を意味します。

補足:
・E+数値は 10、100、1000 という大きい数を表します。
・E-数値は 0.1、0.01、0.001 という小さい数を表します。
・数学では『2.43×10』の次に、小さい数字で上に『19』と表示します。→http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E6%95%B0%E8%A1%A8%E8%A8%98
・最後に『回帰分析』とは何?下の『参考URL』をどうぞ。→『数学』カテゴリで質問してみては?

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9E%E5%B8%B0%E5%88%86%E6%9E%90

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるた...続きを読む

Q偏微分の記号∂の読み方について教えてください。

偏微分の記号∂(partial derivative symbol)にはいろいろな読み方があるようです。
(英語)
curly d, rounded d, curved d, partial, der
正統には∂u/∂x で「partial derivative of u with respect to x」なのかもしれません。
(日本語)
ラウンドディー、ラウンドデルタ、ラウンド、デル、パーシャル、ルンド
MS-IMEはデルで変換します。JIS文字コードでの名前は「デル、ラウンドディー」です。

そこで、次のようなことを教えてください。
(1)分野ごと(数学、物理学、経済学、工学など)の読み方の違い
(2)上記のうち、こんな読み方をするとバカにされる、あるいはキザと思われる読み方
(3)初心者に教えるときのお勧めの読み方
(4)他の読み方、あるいはニックネーム

Aベストアンサー

こんちには。電気・電子工学系です。

(1)
工学系の私は,式の中では「デル」,単独では「ラウンドデルタ」と呼んでいます。あとは地道に「偏微分記号」ですか(^^;
その他「ラウンドディー」「パーシャル」までは聞いたことがあります。この辺りは物理・数学系っぽいですね。
申し訳ありませんが,あとは寡聞にして知りません。

(3)
初心者へのお勧めとは,なかなかに難問ですが,ひと通り教えておいて,式の中では「デル」を読むのが無難かと思います。

(4)
私はちょっと知りません。ごめんなさい。ニックネームは,あったら私も教えて欲しいです。

(2)
専門家に向かって「デル」はちょっと危険な香りがします。
キザになってしまうかどうかは,質問者さんのパーソナリティにかかっているでしょう(^^

*すいません。質問の順番入れ替えました。オチなんで。

では(∂∂)/

Q物理学を学んだ学生の就職について

物理学を学んで修士課程を終えたとして就職でどうのような選択肢がありますか?

Aベストアンサー

buturidaisukiさん、こんにちは。

就職のことはやはり気になりますよね。同じようなことを普段よく尋ねられるので、多くの卒業生を見てきた経験から現実にどうかということを書かせていただきます。

まず、結論から書きますと、ANo.1~ANo.3の皆さんも書かれているように、本人さえしっかりしていれば、大抵の会社は選択肢に入ると思います。

ANo.4さんは、分野は影響は受けると書かれていますが、ある程度、そういうこともあるでしょうが、それほどではないと私は思います。というのは、元々、理学部を卒業する場合には、勉強した「知識」をそのまま使って企業で活躍するというセンスよりも、むしろ、そこで習得した「能力」を生かすというセンスだからです。逆にもし工学部を卒業しても、そこで学習した知識がそのままどんぴしゃで企業でも使えるケースは珍しいようです。

また、物理の中での理論と実験の違いですが、私の知る限り、理論だと実験よりも会社には不利ということはないと思います。それには二つ理由があります。一つは現代の産業の現状は、IT系に重点が移ってきていて、理論系なら殆どの場合コンピューターをかなり使いますので、その面でかえって有利であること。もう一つは測定器や作業機械の使い方などは、実験系だからといって同じ機械を使うとは限りませんし、どちらにしても入社後に勉強するケースのほうが多いと思われるからです。

企業の中で、理学部出身の人が工学部出身の人よりも少ない主な原因は、日本中で工学部の定員が非常に多いことでしょう。私の見る限り、卒業生が就職で苦労するケースは、分野というよりも、むしろ個々人のパーソナリティに依ることが多いように思われます。企業では周りの環境に柔軟に順応してくれる人、しっかり意思疎通の出来る人を好むでしょうし、当然、企業の利益にかなわないことをしたいという人は、どんな学部の卒業生でも取らないでしょう。


次に具体的な現状を書きます。どこの大学とは、もちろんここでは書けませんが、卒業生の就職先はやはりIT係を中心に製造業が多いです。それは元々日本の産業構造自体がIT係に重点が移ってきているためだと思います。一言にIT係といっても、かなり幅が広いですし、IT係以外の製造業も多いです。どんな製造業でも最近はコンピューターはかなり使うと思われます。

製造業の中には当然、民間企業の研究所に就職するケースもあります。民間企業の研究所では、ごく一部の例外を除いて、その企業の利益に直結することを研究します。その内容は、物理学に基礎を置いた研究もありますし、物理学とは直接の関係のない研究をすることもあります。物理の卒業生はどちらの方向にも進んでいます。ただし「直接の関係のない」と言っても、物理はあらゆるものの基礎になりますから、殆どのものは何らかの関係はあります。

次に多いのは、公務員や中学高校教諭だと思います。その場合は、もちろん、公務員試験の勉強や、教員免許をとり教員採用試験の勉強をする必要があります。

製造業に比べれば、数は少なくなりますが、商社や金融関係に就職した人もいます。また特殊な例ではパイロットになった人もいます。


せっかく物理学を勉強したのに、就職した後に直接に関係のないものをやるのは勿体ないとか、しんどいとか思われるかもしれません。しかし、ANo.3さんも書かれているように、物理学というのは、あらゆる学問や科学技術の基礎であり、また、知識そのものを使わなくても、物理学を学ぶ過程で習得した「現実に根ざした論理的思考」というのは、どんな分野にも共通に必要なものなのです。ANo.4さんも書かれているように、「仮説・検証・修正」という物理学の方法は、あらゆることに適用が可能です。

また、「知識の陳腐化」ということがあります。技術というものは日進月歩ですから、大学でどんな分野の学問をした場合でも、どのみち入社後にも勉強をし続けていかないといけません。しかし理学系と工学系の違いは、理学部で勉強したことは、時間が立って成り立たなくなるようなことではないというところです。物理で言えば、力学や電磁気学などの知識が陳腐化することは未来永劫ありません。それらは自然界の法則だからです。ところがある特定の「技術」というものは、多くの場合数年で陳腐化してしまいます。

さらに、逆に基礎的な知識が必要になったときに、技術だけを学んでいた人が基礎に立ち戻って勉強しなおすのは、大変なエネルギーが必要になります。一度でも基礎を十分に勉強したことがある人は、忘れてしまっていても、少し勉強すれば思い出すことができます。基礎をしっかり勉強した上に応用を勉強するほうが、応用だけを勉強しているより安心です。

これは教育関係に進む場合も同様だと思います。やはり理学部でしっかりその分野の内容を勉強しつつ教員免許も取るほうが、教育学部で教員免許をとるよりも好ましいと、個人的には思っています。(両方やるのは確かに大変ですが。)


最後に、修士課程に進むメリットについて付け加えます。学部で、およそ力学、電磁気学、量子力学、熱統計力学を学習するわけですが、それは学問の基礎の部分です。卒業研究~修士課程で、研究(らしきもの)に手を染めることにより、その基礎部分の知識の本当の意味が、より正しく深く理解できます。また、現実の問題を考えることにより、「問題解決能力」も身につけることができます。研究の世界では必要に応じて問題を自分で整理して設定する能力が求められます。誰かがきれいに作った問題を解くだけの話ではなくなってくるのです。そのような能力はどんな分野に就職しても必要とされるものです。大学院ではその部分も学ぶことが出来るはずです。

buturidaisukiさん、こんにちは。

就職のことはやはり気になりますよね。同じようなことを普段よく尋ねられるので、多くの卒業生を見てきた経験から現実にどうかということを書かせていただきます。

まず、結論から書きますと、ANo.1~ANo.3の皆さんも書かれているように、本人さえしっかりしていれば、大抵の会社は選択肢に入ると思います。

ANo.4さんは、分野は影響は受けると書かれていますが、ある程度、そういうこともあるでしょうが、それほどではないと私は思います。というのは、元々、理学部を...続きを読む

Q比熱などはなぜ古典力学では説明できないんですか?

比熱や空洞輻射のスペクトルは古典力学では説明できず、量子論が考え出される契機となったことだと見たことがあるのですが、どうして古典力学では説明できないのですか?

比熱は高温時に、空洞輻射は低温時にエネルギーの等分配の法則が破れて、そこから導きだされた式等も成り立たなくなるから
このような説明しか出来ません…

また、他にも同じような物理現象があれば、できれば同様の説明とともに教えていただきたいです。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

>比熱は高温時に、空洞輻射は低温時にエネルギーの等分配の法則が破れて、そこから導きだされた式等も成り立たなくなるから

この通りです

たいていの量子力学の本の最初の方に
空洞輻射の式が載ってると思うので式は省略しますが

エネルギー等分配側を用いた古典力学により
空洞輻射のエネルギーを求めた
(レイリージーンズの法則)
これは古典力学の範囲では明らかに正しい

実験で得られるデータと明らかに違う(特に低温で)
またレイリージーンズの式で計算すると
発生する全エネルギーが無限大になる

古典力学は間違っているんじゃないか?

プランクの仮説によって説明できる
エネルギーの値は飛び飛びなんじゃ?

量子力学


超伝導や超流動を始め最近研究されている物理現象は
古典力学で説明できないものがいくらでもあります
興味があるのであれば物性物理学の本を読んでみたら
よいのではないでしょうか?

Q分配関数(状態和)がわかりません。

統計力学とかで出てくる分配関数(状態和)がありますが、物理的な意味がよくわかってません。
Σexp(-β・ei)とありますがどういう意味なんでしょうか?

またある問題でエネルギー準位ε=(n+1/2)hνのN個の独立な調和振動系子の系があり
この調和振動子一個に対する状態和が
Z=1/{2sinh(hν/2kB・T)}
となることを示せという問題があるんですが問題の意味すらよくわかりません。
一個に対する状態和?という感じです。
どうかお願いします。

Aベストアンサー

>状態というのが量をもっているわけなんですが
>状態というのはどういう量なんですか?
すでに、siegmund さんが書かれておられるように
エネルギー e_i の状態の実現確率がボルツマン因子 exp(-βe_i) に比例します。
このあたりの手順は統計力学の教科書に載っていると思います。
少し混乱しておられるようなので、簡単な例を出してみます。

さいころを1個振ることを考えてみます。
さいころの目がX(x=1~6)になる確率を P(x) とすると、
1の目が出るという状態の実現確率は P(1) などというように表すことが出来ますね。
このときの状態和は
 Z=ΣP(x)
  =P(1)+P(2)+…+P(6)
  =6*1/6
  =1
ということになります。

>速度やモーメントならしっくりきますが状態というのは一体何なんでしょうか?
さいころで言うと状態は「1の目が出ること」などに対応します。
この場合は6つの状態を取り得ますね。

>一個に対する状態和?
粒子が一個であっても e_n =(n+1/2)hν という結果を見れば、
基底状態 e_0 = hν/2 の状態にあるかもしれないし、
励起状態の1つ e_1 = (1+1/2)hν = 3/2*hν のエネルギー状態にあるかもしれない、
というようにとり得る状態は1つではないことがわかります。
あとは、先のさいころの例と同様に
e_0 の状態にある確率が exp(-βe_0)
e_1 の状態にある確率が exp(-βe_1)
   :
ですからこれらの確率の無限和をとるだけです。


この質問とは関係ないですが、
その後、相対論の理解は進みましたか?

>状態というのが量をもっているわけなんですが
>状態というのはどういう量なんですか?
すでに、siegmund さんが書かれておられるように
エネルギー e_i の状態の実現確率がボルツマン因子 exp(-βe_i) に比例します。
このあたりの手順は統計力学の教科書に載っていると思います。
少し混乱しておられるようなので、簡単な例を出してみます。

さいころを1個振ることを考えてみます。
さいころの目がX(x=1~6)になる確率を P(x) とすると、
1の目が出るという状態の実現確率は P(1) などというよう...続きを読む

Q水平化効果とは??

ブレンステッド理論での、“水平化効果”とはどのようなものなのでしょうか?
教科書を読んでも、ごちゃごちゃしてて分かりにくい説明なので困ってます。

どなたか、分かる方よろしくお願いします。

Aベストアンサー

水平化効果をすんごくわかりやすく言い切ってしまえば,

『単体ではどんなに強い酸でも,水に溶かすと酸性度が弱まってしまうこと』

です.でも,これじゃああまりに不親切なので,その根拠を説明します.
ただし,私自身もそれほどよく理解していないので,説明がわかりにくいかもしれませんが,ご了承ください.

--------------------------------------------------
◆ブレンステッドの定義のおさらい

まず,ブレンステッドの酸,塩基の定義をおさらいしますと,

酸:プロトンH+を相手に与えることができる物質(HCl,H3O+,CH3COOHなど)
塩基:プロトンH+を相手から受け取ることができる物質(Cl-,OH-,CH3COO-など)

でしたね.ところで,中学や高校では,HClは強酸,CH3COOHは弱酸と習いました.
じゃあ,この「酸の強弱」とは何なのか?それは,「プロトンを与える能力の大きさ」のことです.水溶液においては,それは「H2OにH+を与える能力が大きいかどうか」に相当します.

ところが!ものごとには基準というものがあって然りです.つまり,「酸が強い」というのは,「何を基準に強いのか?」がわからなければダメですよね.例えば,A君が「俺はテニスが強いんだ!」っていっても,どれほど強いのかわかりませんね.「B君よりも強いんだ」とか,「○○大会で優勝したんだ」とか言ってもらわないとお話になりません.

話がちょっとそれちゃいましたが,「酸の強さの基準」に相当するもの,それはH3O+なんです.
←H3O+も酸の一種ですよ.(だって,プロトンH+を相手に上げる能力をもっているでしょ!).

だから,HClが強酸というのは,「HClはH3O+よりも酸性度が強い」ということであり,CH3COOHが弱酸というのは,「CH3COOHはH3O+よりも酸性度が弱い」ということです.
(つまり,酸性度の強さは,HCl>H3O+>CH3COOHとなりますが,なぜこうなるかについては説明が難しいので省略します)


◆水溶液中での酸のふるまい

では,実際に水溶液中における強酸,弱酸の酸解離平衡を考えてみましょう.
ただし,以下では「プロトンの授受」を強調するため,H+ではなくH3O+を用います.

(1)HCl + H2O <--> Cl- + H3O+
(2)CH3COOH + H2O <--> CH3COO- + H3O+

すると,どういうことがいえるでしょうか?

(1)の水溶液はほぼ100%電離して,水溶液中に含まれる「酸」はH3O+だけである
(2)の水溶液はほとんど電離しないので,水溶液中に含まれる「酸」はCH3COOH(少量)とH3O+(多量)の両方がある.

ここで,(1)に注目します.これは,
「HCl単体では(H3O+よりも)強い酸なのに,水に溶かすとHClはすべてH3O+に取って代わられてしまう」
=「水溶液中に含まれる酸はH3O+のみである」
=「“HCl水溶液”の酸性度は,HClではなくてH3O+である!」
であることに他なりません!

長々となってしまいましたが,以上の理論と冒頭の定義をミックスしますと,

『どんなにH3O+よりも強い酸でも,水に溶かすと酸性はH3O+に弱められてしまう』

これが水平化効果の定義です.


◆水平化効果の例を挙げてみると・・・?

上の説明だけじゃぁイメージがつかみにくいと思うので,次のような例を考えましょう.
Aという物質をHClという強酸で反応させたい,つまり
HCl + A --> Cl- + HA
という反応を起こしたいとします.このときAという物質は,HClほどの酸性を持った物質とは反応するが,それ以下の酸性度のものでは反応しないものだとします.

すると,HCl単体とA同士は反応しますが,HClを水に溶かした塩酸とAは反応しないことになります.なぜなら,HClを水に溶かすと,
HCl + H2O --> Cl- + H3O+
となり,塩酸の酸性度はHClではなくてH3O+となって,酸性度がHClよりも弱まってしまうからです.

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こんな説明でわかっていただけたでしょうか?
もしここがわかりにくいなどの意見がございましたら,折り返し補足をお願いいたします.

水平化効果をすんごくわかりやすく言い切ってしまえば,

『単体ではどんなに強い酸でも,水に溶かすと酸性度が弱まってしまうこと』

です.でも,これじゃああまりに不親切なので,その根拠を説明します.
ただし,私自身もそれほどよく理解していないので,説明がわかりにくいかもしれませんが,ご了承ください.

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◆ブレンステッドの定義のおさらい

まず,ブレンステッドの酸,塩基の定義をおさらいしますと,

酸:プロトンH+を相手に与える...続きを読む


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