原子核

質問

原子核の中にプラスの電荷を持つ電子ってあるんですか？あったら、プラスの電荷を持つ電子が原子核のどこにあるのかを教えてください。

回答No.3

head1192

原子は電気的にプラスの原子核と電気的にマイナスの電子から成る。

原子核は陽子と中性子から成る。
陽子はプラスの電荷をもち原子核全体の電荷を司る。
中性子は電気的に中性であり電荷にかかわらない。

中性子がないと原子核は不安定になる。
プラスの電荷をもつ陽子とプラスの電荷をもつ陽子が隣接するからである。
そうならないよう緩衝する物質として仮定されたのが中性子である。
その後この仮定は実証された。

プラスの電荷をもつ電子はある。
陽電子という。
これは電子に対する反粒子であり反物質である。
原子の中に取り込まれるとするなら、反物質としての原子の中である。
ただし陽電子は原子核を構成することはできない。
原子における電子と同様、反原子の原子核の周囲に確率雲を作ることになる。

核力が支配する原子核内部には、強い力に反応する粒子しか安定して存在できないからである。
それは今のところクウォークから構成される陽子と中性子だけである。

回答No.2

kagakusuki

プラスの電荷を持つ電子とは陽電子の事です。
　電子や陽電子、陽子や中性子などと言った微小な粒子は、粒子として振る舞う事もあれば波として振る舞う事もあります。
　この様な粒子と波の性質を合わせ持つ粒子(波)の事を量子と呼びます。
　質量の軽い粒子ほど量子的な性質が強く現れます。
　このような量子の場合、「存在している」と「存在していない」の区別が曖昧で、存在していなかった所に突然量子が生じる事もあるため、「存在している」とも「存在していない」とも一概には言えない場合も少なくないのです。
　例えば、真空中には一見すると何も存在していないように見えますが、何も無い所に電子と陽電子のペアが突然現れ、次の瞬間にはその現れた電子と陽電子が反応して消滅するという事が至る所で絶え間なく起き続けています。(これは電子に限らず、陽子と反陽子のペアやμ粒子と反μ粒子のペアなど様々な種類の粒子･反粒子のペアが生じては消滅するという事を繰り返しています)
　普通であれば電子と陽電子が対消滅すると電子と陽電子の質量に相当するエネルギーが解放されるのですが、何も無い所に一瞬だけ生じる電子と陽電子が持っているエネルギーは0よりも低く、電子と陽電子の質量を丁度打ち消すだけのマイナスの値になっており、そのマイナスのエネルギーが、電子と陽電子が対消滅する際に発生するプラスのエネルギーを丁度打ち消すため、エネルギーは発生しません。
　このような粒子のペアは、一瞬しか存在せず、消滅する際にもエネルギーの発生等の痕跡を残さないため、その存在を外部から観測する事は出来ず、一瞬とは言え存在しているにもかかわらず、存在していないも同然なのです。
　このような一瞬だけ生じて直ぐさま消滅する粒子の事を「仮想粒子」と呼びます。
　さて、このマイナスのエネルギーを持つ電子と陽電子に十分な量(電子2個分の質量に相当する以上)のプラスのエネルギーを注ぎ込むと、電子と陽電子のエネルギーはプラスとなりますが、粒子が質量を上回るプラスのエネルギーを持つという事は運動エネルギーを持つという事ですから、それだけのエネルギーを得た電子と陽電子は負電荷と正電荷で引き合う力を振り切って離れ離れになり、仮想ではない実在の電子と陽電子となります。
　この様な仮想粒子が一瞬現れては消滅するという現象は原子核の内部や原子核のすぐそばでも起きていますから、陽電子は原子核の中に“常に存在”しているわけではなく、「仮想粒子」の形で一瞬だけ現れては直ぐさま消えるという事を繰り返しているのです。

　ところで、原子核の中の陽子と中性子は「強い核力」と名付けられている力によってお互いに引き付け合っていますが、その一方で陽子はプラスの電荷を帯びているため、原子核の中の陽子同士は「電磁力」による電気的な反発力を及ぼし合っています。
　引き合う力だけならば粒子同士の距離が近いほど「その力によって生じる位置エネルギー」が低くなり、エネルギー的に安定な状態となります。(ゴムを引き伸ばした状態よりも縮んだ状態の方がエネルギーが低いのと同じようなものです)
　それに対し、反発力だけならば粒子同士の距離が遠くなるほど「その力によって生じる位置エネルギー」が低くなり、エネルギー的に安定な状態となります。(押しバネを圧縮した状態よりも伸びきった状態の方がエネルギーが低いのと同じようなものです)
　「電磁力」よりも「強い核力」の方が強力なので陽子と中性子は原子核としてまとまっていますが、粒子同士の距離が近い事によって生じている「強い核力」的な安定性を、陽子同士の反発による「電磁力」的な不安定さが目減りさせているわけです。
　では原子核は中性子だけの方がより安定になるかと言うと、話はそう簡単なものではありません。
　中性子は陽子と比べて0.138%程質量が大きいのですが、質量が大きいという事はエネルギーが高いという事でもあり、エネルギーが高いという事は不安定であるという事でもあります。
　因みに電子の質量は陽子の0.054%しかありませんから、中性子は「陽子と電子を合わせた」よりも質量が大きい事になります。
　そのため中性子は単独で存在している場合には平均寿命約887秒で陽子と電子に分裂してしまいます。
　同様に中性子だけからなる原子核もエネルギー的には不安定になります。
　これら「強い核力」の引力によるエネルギーの低さと、「電磁力」の反発力によるエネルギーの高さと、中性子が中性子として存在している事によるエネルギーの高さが拮抗するような陽子と中性子の割合となっている原子核が最もエネルギーが低く、安定した原子核になります。
　この原子核が安定する陽子と中性子の割合は、原子核に含まれている陽子と中性子を合わせた数によって変わって来て、少数の例外はあるものの、安定な原子核となるのは一般的には陽子と中性子の総数が少ない軽い原子核では陽子と中性子の数が概ね同数の場合で、重い原子核では陽子と中性子の総数が多くなるのに従って中性子の数が多くなっていく傾向があります。
　この安定な原子核と比べて、陽子の数が多くても少なくてもエネルギーが高く不安定になります。
　陽子が多過ぎる事によって不安定となっている場合、中性子の割合が多い重い原子核では2個の陽子と2個の中性子からなるα粒子(ヘリウム4の原子核と同じもの)を放出して(陽子と中性子の数が同数に少し近い方が安定となる)軽い原子核になる事でバランスを取ります。
　一方、陽子と中性子の数が元々同じくらいである軽い原子核の場合、陽子が多過ぎる事によるエネルギーの高さが、電子1個と陽電子1個の合計質量よりも多ければ、原子核の中や原子核の間近で生じた電子と陽電子の仮想粒子のペアが、原子核が持つ高いエネルギーを吸収して実在粒子となる事がその原子核の種類ごとに決まっている一定の確率で起きます。
　そのようにして生じた電子と陽電子の内、陽電子が原子核の外に向かって放出され、電子の方は原子核と反応して電子が持つ負電荷が陽子が持つ正電荷を打ち消して、陽子を中性子に変化させる事で陽子の数を減らし、「陽子が多過ぎる事による不安定さ」を減らすという現象を原子核の外から眺めると、原子核の中から陽電子が出て来たように見えるわけです。
　尚、陽電子と電子の両方が原子核から放出されても原子核の陽子の数は変わらないため、「陽子が多過ぎる事によるエネルギーの高さ」を減らす事にはなりませんし、電子の方だけが放出されると原子核のプラスの電荷が更に増えますから「陽子が多過ぎる事によるエネルギーの高さ」を返って増大させる事になりますので、軽い原子核で陽子数が多過ぎるものについては、陽電子と共に電子も放出される事や電子だけが放出される事は起きないわけです。

回答No.1

QCD2001

ありません。