「この世界に永久運動は存在しない」というのが常識だと思っていたのですが、
それならば、原子核の周囲をぐるぐる回っている原子は、
いったい何のエネルギーによって動き、いつまで回り続けるのでしょうか。
もしかすると、これは永久運動というやつですか?

恒星の周囲をまわる、惑星もまた、永久運動なのでしょうか。

A 回答 (9件)

まず、恒星の周りを回る惑星の運動ですが、keronyanさんが


おっしゃるとおり、朝夕力などが原因で軌道がずれていきます。
地球ではこれが一番おおきいです。しかし、重力波の影響もあります。
地球では、太陽の周辺を周回するときに、常に重力波を放出しています。
(これは全ての運動する物質間で必ず発生します)
この力は、地球全体でわずか1ミリワット程度です。
地球はこのチョットしたエネルギーの損失で、減速しているため、
10年に1000兆分の1cmだけ、太陽方向に引きずられているそうです。

それから、原子内の電子のことですが、punchan_jpさんの「回ってはいない」
というのが正解です。電子は「粒子=つぶつぶ」として存在するには
小さすぎるため、「回る」という行動をとることができません。
(プランク距離より小さいため、ハイゼンブルクの不確定性原理が働く)
電子は雲のように、「そのあたり」にある・・としか言えなくなります。
電子はそれ自身は運動をしません。
(スピンしているという話もありますが、これは電子を構成するクオークの
都合でそう見えます)
また、「原子核内に電子が存在する」ということも、不確定性原理のせいで、
「より電子らしきもの」が「そこらへんに」存在するということになります。
たとえば、水素は電子を1個持っているといわれていますが、水素の原子核
の電子価量のせいで、その周囲に「電子1個に相当するくらいの」電子の
ようなものがあるね~ということになります。
これは、0.3個分の電子と0.7個分の電子らしきものが周辺に存在する
場合もあります。(観測できないけどね)

ここらへんに興味があるのでしたら、
「オーム社(名前悪いよね)」の「量子の国のアリス」という著書をお勧め
します。わかりやすくて、面白いです。
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 まあ、なんて難しい質問なんでしょうか?先ず、電子がいつでも原子核の周りにいると考えるためには、ヘリウムのような希ガスについて考えなければいけませんね。

他の元素は、大体、H2などの分子状態で存在するわけですから。ヘリウムの場合は、いわゆるs軌道に2個の電子が存在するわけです。これらが原子核との引力、電子同士の斥力によって移動し、s軌道というポテンシャルの井戸の中に閉じ込められていると言えば正しい表現ではないかと思います。だから、ぐるぐる電子が回っているわけではなく、ある存在確率でs軌道内にいるだけで、ある確率でそこから飛び出すことも、原子核と衝突する可能性もあると思います。ただ原子核というのは、我々が想像する以上に小さく、昔聞いた大学の講義では、山手線をs軌道とすると、原子核はりんご程度の大きさになると言っていました。ですから原子核と衝突する確率は非常に低いのです。でも確率の問題ですから、有り得るわけです。
 さて永久運動との関係ですが、永久に動くかどうかは、摩擦があるかどうかの問題です。摩擦というのは、接触する物質同士の問題になるわけで、電子は運動中に力は受けるものの接触はしませんから、永久に動きつづけます。これは惑星と同じです。衝突することはあっても、慣性の法則によって動きつづけます。
 絶対零度では、原子の振動も無くなると言われていますが、と同時に絶対零度は作り出せない事も事実です。
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この回答へのお礼

なにげなく書き込んだ疑問について、これほど多くの方々に回答していただき驚きました。
専門用語が飛び交う、非常に刺激的な論議に発展したことを嬉しく思います。

原子という極めて小さな世界の話が、非常に大きなスケールを持つのは、どうしてでしょうね。
これからも、ここの問答を何度も読み返すことになるとおもいます。

ありがとうございました。

お礼日時:2001/05/13 11:41

「存在しない」といわれるのは「永久機関」じゃなかったですか?


ニュートン以前に、水車をまわして水を動かして、その水でまた水車をまわす、・・とかいうやつを、まじめに考える人達がいたのを、ニュートンが喝破した?という・・
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原子核と電子に関しては


http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=36150
で,かなり詳しい議論がなされています.
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一応今判っている範囲では、電子が止まる事はないですね。


ただ、運動しているかどうかは、特に古典力学的な運動をしているかどうかは疑問ですけど。
つまり古典力学的な永久運動ではないと言うことです。

電子は原子核内で軌道を回っている時はあるエネルギー状態の時に安定すると言うことが量子力学で要請されています。
逆に電子はある一定のエネルギーしかもてないと言うことです。
電子にエネルギーを与えても、次の軌道へ飛んでしまうだけでその中間の状態はありません。

惑星は回っている限り止まる要因は、地球とかでは朝夕力なんかが摩擦として働きます。
しかし、まあそれ以外に余り止まってしまうと言うことをまあ我々が(人間が)生きている状態で心配することはないと思います。
ただ、中心の星(恒星)は寿命があるのでその惑星運動は厳密に永久ではありません。
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私の私見ですが、永久運動ではないと思います。



「電子は、原子核の周りをまわっているのではない」と言う意見もありますが、取りあえず、回っているものとして・・・

運動が止まるというのは、外的な力がかかっているか、自らエネルギーを放出している場合です。一般に言う慣性の法則は、そういっています。
となると、一般にいわれている永久運動(永久機関?)がないのは、摩擦などがあるためだと考えられます。(摩擦による外的力がかかっている)

さて、電子ですが、電子が動くと、電磁波が出ることはよく知られています。と言うことは、何らかのエネルギーが外から電子に与えられていないと、電子は自ら放出する電磁波エネルギーによって、すぐとまることになります。ではなぜ動いているのか?私は、電子は周りから熱をもらってい動いていると理解しています。(だって、絶対零度では、原子振動も止まりますもんね)でも、それを測定することはできないでしょう。なぜなら、そこにものがあることを識別するために、何かをぶち当てる必要があります。(または、そこから放出するエネルギーを測定する)物をぶち当てれば、熱が発生しますのでその時点で、絶対零度ではないですよね。

あくまで、私の予想です。
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「この世界に永久運動は存在しない」というのは、ニュートン以前


の時代の常識です。そのころは、手から離れたボールがしばらく飛
びつづけるのは、空気が押しているからだと考えられていました。

でも、現在の常識は、動いていようが止まっていようが、その状態
を変えようとする別の力が加わらない限り、それまでの状態がずっ
と続くというものです。惑星も、それを止めようという力が加わら
なければ、永久に動きつづけるわけです。

ただ、電子(原子核のまわりの電子のまちがいですよね?)に関し
ては、昔は核のまわりを回転していると考えられていましたが、今
はちがいます。原子の近くに適当な確率でボワッと存在するとでも
いいましょうか。
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これは化学というより物理の領域ですね。

まあどういう回答が出てくるのか興味があるので、とりあえず参加します。
永久運動はない、というのは限られた条件がつくことはご存知ですか、つまりエネルギーの消耗がいろいろな形でおこるためにそういう結論が一つでてくるということです。たとえば空気摩擦によってエネルギー消耗が起こるために運動が止まってしまうというようなことです。
宇宙の自転、公転の問題はエネルギー消耗がおこるのでいつかは止まってしまいます。原子核を回る電子の運動はエネルギー消耗が皆無に近いので運動は止まりません、といいたいが、何億年の単位でみるとやはり止まってしまい、電子反発がなくなる結果巨大な原子のあつまりの超高密度物質が形成されます。
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>原子核の周囲をぐるぐる回っている原子


「原子」ではなく「電子」ではないでしょうか?

補足お願いします。

この回答への補足

う。すみません。原子核の周囲を回るのは「電子」ですね。
ご指摘ありがとうございます。

補足日時:2001/04/13 17:32
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>『Q4:これも、ご推察のとおりです。3個以上の原子からなる"剛体"としての
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宜しくお願い申し上げます。

Aベストアンサー

 古代ギリシアで、既に物質の最小単位として原子があると考える人もいました。しかしそれはアイデアに過ぎず、検証は一切されませんでした。そんなことを調べる技術が当時になかったのですから、仕方ありません。

 自然科学としての原子の発見は、化学から始まりました。いろいろな物質が何らかの操作によって、別の物質に変化するのはなぜかということが謎でした。ただ、物質の最小単位として分子があるというのは、ほぼ確実だろうと思われていました。それを定量的に調べてみると、各々の変化は必ず一定の比率を示すことが判明しました(倍数の法則と呼ばれる)。

 それをうまく説明できるのが、分子はもっと小さな原子が組み合わさってできているという考え方です。さらに、陰極線の研究などから、物質からは非常に小さくて電気を帯びた粒子が出てくることから、原子には電子が含まれているということが分かってきました。

 しかし、物質は普通は電気的に中性です。すると、原子の一部である電子がマイナスとすれば、原子の電子以外のものはプラスの電気を帯びた何かだということになります。

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 物質の電子はアルファ線より遥かに軽いので、アルファ線が通過しても、アルファ線の軌道を変えません。しかし、残るプラスの電気を帯びたものは重いため、原子もモデル次第で、アルファ線が真っ直ぐ通過するか、曲がるかが違ってきます。

 もし原子のプラスの電気の部分が大きなボールであれば、アルファ線は均等に分布したプラスの電荷の中を通過するので曲がりません。一方、小さな核がプラスの電気を持っているなら、アルファ線はそのそばを通過することになり、軌道が曲がるものが出てくるはずです。

 実験の結果、物質を通過するアルファ線の中には軌道が曲がるものが多数出ることが判明しました。それで、小さな原子核の周りに電子があるというのが原子だと分かりました。しかし、電子が単に原子核の近くにあるだけなら、すぐに原子核に落下してしまうはずです。

 そこで、まるで太陽系のように、原子核の周りを電子が公転していて、遠心力で原子核に落ち込まないのではないかと考えられました。

 それが、よく見る原子のモデルです。その仮説を提唱したのは日本人で、その名前を取って長岡モデルと呼ばれています。

 でも、これで終わりませんでした。電磁気学が発展して、電子が円運動をすると必ず電磁波が出るということが分かりました。電磁波はエネルギーがありますから、原子核の周りを公転する電子はエネルギーを失わざるを得ません。そのエネルギーは電子の運動エネルギーから出てくるしかありません。すると、電子の速度はどんどん落ちて、原子核に落下すると考えるしかありません。

 でも、原子はそんな変化を起こさず、安定して存在しています。長らく、このことは謎でした。20世紀初め、それを説明できる物理学、量子力学が出てきました。量子力学の説明は「電子は原子核の周りを公転していない。原子核の周囲に『確率的に分布』しているのだ」という、ちょっとイメージしにくいものです。

 しかし、そうなっているなら電子は電磁波を出してエネルギーを失わないので、原子が安定して存在できることが、きちんと説明できます。それで正しいことがいろいろな実験で確かめられました。高校の化学の教科書などに、原子核の周りの電子が円状に配置された模式図ではなく、何か奇妙な形の原子のイラストがあったりします。それは、電子が確率的に分布している状況を表したイラストなんです。

 古代ギリシアで、既に物質の最小単位として原子があると考える人もいました。しかしそれはアイデアに過ぎず、検証は一切されませんでした。そんなことを調べる技術が当時になかったのですから、仕方ありません。

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Q電子レンジ

電子レンジからの電磁波の漏れが起こる理由を教えて下さい。波長が12センチもあるので、たとえ隙間があってもその隙間の大きさ(直径)が12センチ以下であれば漏れないと単純に思ってしまうのですが・・・。波長と漏れとは無関係なのでしょうか?よろしくお願いします。

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仮定として
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