原子の中の原子核と電子

質問

原子は、原子核と電子から構成されていますね。それらは、プラスとマイナスの電荷を持っていますね。それなのに何故、原子核と電子は衝突してしまわないのでしょう。素粒子の実験では、加速器という装置を使って、素粒子同士をぶつけることができるそうですが、このような衝突が何故、原子の中で起こらないのでしょうか。みなさん、よろしくお願いします。

回答No.1

stomachman

ナイス質問だと思います。
　量子力学以前にはこれがホントに大難問だったんです。何で原子核は電子を吸い込んでしまわないか。

　正確に答えるのは難しいんですが、シロートなりに申し上げます。
答は「原子に束縛されている電子のエネルギーが量子化しているから。」電子は電気的引力で原子に束縛され手いるわけですが、この電子の運動エネルギーは好き勝手な値を取れず、とびとびの値しか許されない。このため、電子は中途半端な動き方（ってのもかなりいい加減な表現ですが）が出来ないんです。で、原子核にぶつかる確率もない。

　エネルギーが量子化してる理由は、（これも近似的説明ですが）電子波（光と同様、電子も粒子であって同時に波でもあります）が閉軌道上で定在波になる、つまり軌道１周の長さが波長の整数倍であるようにしかなれないから。電子の波長は電子のエネルギーで決まり、エネルギーEはほぼその質量でm決まっています(E=mc^2)ので、勝手な軌道が許されない訳です。
　軌道上の電子に光を当ててやると電子のエネルギーが高くなって、より大きい軌道へ移ります。励起と言います。これをやるには中途半端なエネルギー（=波長）の光ではダメで、丁度二つの軌道のエネルギーの差に相当する分のエネルギーを持つ光でなくてはならない。で、その電子はそのうち勝手に光を出して元の軌道に戻ってくるんですが、この光の波長も二つの軌道のエネルギーの差できっちり決まっています。（こういう光を沢山の原子で一斉に発生させたのがLASERです。）
　また、エネルギーが高くなるほど波長が短くなり、それにつれて「とびとびの値」の刻みが細かくなって行きます。これは軌道の１周に入る波の数が増えるから。逆に言えば、波が5個入る軌道、6個入る軌道、...となるに連れて、エネルギーがちょっと違うだけで波が何個入るか、その数字が変わるようになるからです。

　加速器の中ではトンでもない高エネルギーを持った電子が飛んできます。だからもうエネルギーにとびとびなんてない位の状態である。そしてこの電子は原子核に束縛されている訳じゃありません。少々近づいた程度じゃ電気的引力なんか関係ないって位の猛烈な勢いで飛んでくる。それでぶつかることができます。

　エー加減な回答で申し訳ありません。

お礼

ありがとうございました。
回答を読んでいて、量子化学の基礎を思い出しました。束縛された粒子は、エネルギーが量子化されるとゆうことです。私は、重要なことを見落としていたようですね。それなので、私なりには十分納得させていただきました。
実は、この質問、大学の二人の先生に聞いたのですが、それぞれ、別のことを言っていたので混乱していたのです。