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.13

siegmund

siegmund です．

○ ryumu さん
> 結局は電子の波動性ですか・・・。

おっしゃるとおりと思います．

○ bigsea さん
> 加速器での衝突の時、
> 素粒子同士がぶつかるのは不確定性原理に違反してはいないのですか．

素粒子同士がぶつかって，クォークの組み換えが起こり，
違う素粒子になって飛び去ってゆくのでしたら大丈夫ですね．
そこらへんは guiter さんの書かれているところをご覧ください．
例えば，陽子を何かの原子核に打ち込んでうまく一体になったら，
なんだか不確定性原理に違反するような気がします．
実は，原子核の中の陽子と中性子も一点に静止しているわけではなくて，
原子核内で(いわば)動き回っています．
そういうわけで，不確定性原理には違反しません．

○ bigsea さん
> ｓ軌道で、原子核にも電子の存在確立があるって不思議な感じがします

私も不思議な気がします．
ただし，事情は非常に微妙でして，例えば水素原子の１ｓ軌道の波動関数は
(1)　　　ψ(r) = 2 (1/a_0)^(3/2) exp(-r/a_0)
です．a_0 はボーア半径．
で，存在確率が |ψ(r)|^2 ですから，(1)からすると |ψ(0)|^2 が有限で
原点(原子核の位置)でも存在確率があるように見えます．
ただし，ある体積(球殻 r～r + dr としましょう)で電子を見いだす確率は
体積要素 4πr^2 dr をかけないといけません．
で， |ψ(r)|^2 4πr^2 は r=0 でゼロになってしまいます．
そうすると，motsuan さんの言われたフェルミの接触相互作用は大丈夫？
この相互作用の元になっている機構は，
原子核の磁気モーメントが双極子型磁場を作り，
その磁場を電子の磁気モーメントが感じるという仕組みになっています．
で，双極子型磁場の原点での特異性のところからちょうど 1/r^2 が出てきて
体積要素の r^2 とキャンセルし，
フェルミ接触相互作用が |ψ(0)|^2 に比例した有限の大きさで求められる，
という本当に微妙な状況になっています．
こういうわけで，motsuan さんの書かれているように
核磁気共鳴の情報から電子の |ψ(0)|^2 の情報がわかります．