基本粒子（陽子、中性子、電子）についての質問です。

質問

基本粒子（陽子、中性子、電子）についての質問です。

１．陽子、中性子、電子はそれぞれ単独で取り出せると聞きました。

（１）一般家庭でも入手可能な簡単で安価な機材でこれを行う方法
　　　をご存じなら教えて下さい。

　　　陽子、中性子は難しそうな気がしますが、電子は圧電とか熱とか
　光とかで比較的簡単に取り出せそうな気がするのですが具体的な方
　法や準備するものと手順が判ればお願いします。

　また真空環境でないと何か問題があるとか、大気中だと何か危険
があるとかも判ればお願いします。

（２）これらの粒子を大量に抽出（たとえば１００cc程度）を瓶などに保存
　しておく方法はありますか？

　特に陽子と電子はそれぞれの電荷のため反発すると思うので、封じ込め
の工夫が必要かも知れませんね。　陽子瓶と電子瓶は引き合うでしょうか
？

また中性子は１分程度でベータ崩壊すると聞きますから電子線やニュート
リノ対策が要りますか？

（３）このようなことを実際の研究機関ではどのように行っているのですか？

使用機材、抽出方法、抽出確認方法、保存方法、諸対策等

（４）　素朴な疑問ですが、

　(1)これらの粒子がその粒子のみの集合体（陽子郡や電子郡、中性子郡）
　としてある場合、気圧や温度による変化（相転移）はしないのでしょうか？

　たとえば、絶対零度付近で陽子郡や中性子郡、電子郡を高圧縮する
　とこういうものになる．．．といったことです。

　(2)これらの粒子郡には見た目や臭い、味などの五感でわかる特徴
　はありますか？　ある一定量集めてこうするとこういう特徴が出る
　とか．．．

　完全無色透明、無味無臭の場合確認が難しそうですが．．．
　その場合「何かに反応させるとこういう特徴を示す」でもよいです。

　（電子だけのスープを飲んでみたという話は聞いたことがないですけど．．）

　(3)これらの粒子郡は地球重力下で常温（仮に２０度ｃ１気圧）ではどのよう
　　な位置に来ますか？
　　大気中が問題があるなら、真空環境（但し地球重力下）では？

　　それぞれ少くとも質量があるので真空なら下に落ちるような気がしますが、
　　実際はどうなのでしょう？　陽子のように郡では電荷の影響が出てしまう
　　場合単独ではどうなりますか？

　(5)これらの粒子は単独では瓶の底などに静止していることができるも
　　のですか？

　(6)大気中では、すぐに何かと反応してしまうなどの特徴はありますか？

　(7)内部を真空にした瓶に電子一個と陽子一個を入れた場合、どれくらい
　　の距離まで接近すると水素原子に変わるのですか？
　　ただそれだと不安定な単独水素原子ですが、存在していられるのでしょ
　　うか？

（５）これらの素粒子は量子力学では「確率の波」として存在すると聞きました。

　(1)電子の場合は「電子雲」という形で存在していると言いますが、

　　a.単一のエネルギーがシャボン玉がブヨブヨと振動しながら浮いているイメージ？

　　b.原子核の周りを点のような電子が惑星公転的に周回はしているが、その公
　　転軌道が隙間の無い球形や鉄アレー型を描くので全体として球形分布に
　　見える？

　　c.原子核の周りを点のような電子がまったくランダムに現れ、全体として隙間の
　　　無い球形や鉄アレー型を描く？
　　　ただこれだと「軌道」ではなく「ランダムな点描の指定領域」というべきかと．．．
　　　また何かの外壁に跳ね返りでもしなければそのような運動が可能な条件を想
　　　像できませんが．．．少なくとも正負の一定電荷同士の核と周囲の吸引力バ
　　　ランスで成り立つなら周回でないランダムな現れ方は腑に落ちません。

　(2)電子が原子核から外れてしまった場合この確率分布は一点に集約されて
　　しまうのですか？　その場合分布していたときのエネルギーはどう保存されるの
　　ですか？

　(3)陽子や中性子も密度が高いだけで基本的には同じような確率分布なの
　　でしょうか？

（６）中性子について

　(1)中性子は宇宙で陽子が出来たとき一緒に誕生したと考えられているのでしょ
　　うか？それとも恒星が誕生した後、核融合過程で出来たものですか？

　　単体では短時間でβ崩壊してしまうらしいので後者かな？と思ったのですが？　

その他素粒子に関しては質問したいことは山ほどあるのですが、分けさせてください。

このような疑問について、自力で調べてはみるものの中々わかりやすい解説が少な
く素朴な疑問になるほど文献が少なく感じています。

何分素人で、難解な数式や表現は手に負えないのでよろしくお願い致します。

回答No.4

noname#115788 · ベストアンサー

♯２の補足です。

>これらを揃えようと思うと安定化電源装置その他一式でいくら掛るんでしょう？

真空装置が高いでしょうね。工作機械がない限り、自作は無理っぽいですし。

>あと、「桐箱」は簡単に作れそうでした。　α線源も入手可能
>とか．．　　

桐箱ではなくて霧箱ですね。個人で作成可能だと思います。アルファ線源となる同位体が個人で入手可能かどうかは不明です。

>シンクロトロン（加速器？）を使って保管するという記述は
>探しましたが見つかりませんでした。　「保管」という以上、何
>らかの器内と思いますが、何ですか？

シンクロトロンは、電子、陽電子、陽子などを、高密度の塊（バンチ）として真空のパイプの中をグルグル回すことによって、保管するのです。もちろん長時間ではありませんが。シンクロトロンの目的は素粒子の保管ではなくて衝突なので、表現が正確ではなかったかもしれません。とりあえず、電子や陽子の素粒子を一定時間以上保持するという目的であればシンクロトロンが現在唯一のものであると思います。

立花隆 小林・益川理論の証明 陰の主役Bファクトリーの腕力 : 立花 隆 著 朝日新聞出版

を読まれると良いかもしれません。

>中性子の発見者はジェームス・チャドウィクと記憶しておりま
>したが．．．

そうでした　＞＜。本当はヴァルター・ボーテとヘルベルト・ベッカーがベルリン大学で見つけていたのですが、中性子とは判らないので『ベリリウム線』と呼んでいました。それをラザフォードが予言した中性子として確認したのがケンブリッジ大学のチャドウィックです。
http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/neutron/neutron_index.htm
ケンブリッジ大学って凄いですね＾＾

以下、某所で解説用に書いた私の文章のコピペを貼り付けておきます。

『ボーアとアインシュタインがソルベー会議で論争をしていた頃、ベルリンではヴァルター・ボーテとヘルベルト・ベッカーはポロニウムの同位体から出てくるα線を様々な物質に照射して、そこから出てくる放射線の強度を測定する実験をしていた。その中でリチウム、ベリリウム、ホウ素、フッ素から透過力が非常に強いという性質をもった放射線が出てくる事を発見した。彼らは当時それをγ線の一種であると考え、1930年にベリリウム線として発表した。

パリでこの報告に興味を持ったイレーヌとフレデリックのジョリオ・キュリー夫妻は、同様にポロニウムを使用してベリリウム線の物質による吸収を調べる実験を行った。電離箱の窓に様々な物質を置いてこの放射線を当て、水やパラフィンを置いたときに電離箱の中に大量のイオンが生成される結果を得た。この従来の研究では報告されていなかった現象を、夫妻はコンプトン効果によるものと考えた。水素のような軽い原子核はこのベリリウム線によって原子核（陽子）が跳ねとばされ、それが電離箱に中に大量の荷電粒子を生み出していると考えた。また計算によると、ベリリウム線のエネルギーは50[MeV] となった。

ケンブリッジでジョリオ・キュリー夫妻の報告を読んだジェームス・チャドウィックは早速追試を開始した。チャドウィックは既に実用化されていた真空管方式のオシロスコープを電離箱に接続し精密にベリリウム線によってはじき出された電荷を測定してみた。すると電離箱に放出される荷電粒子は陽子一個であり、ジョリオ・キュリー夫妻のベリリウム線のエネルギーの計算値は大きすぎる。これはきっとベリリウム線は中性子に違いないと考え、原子核の弾性衝突として計算すると辻褄が合うことが導き出された。しかしこの時点でラザフォードの弟子だったチャドウィックは同じように中性子は陽子と電子で構成されると考えていた。』

>ウォルトン、コックロフトの実験は高圧トランスが実用化でき
>たことによる世界最初の高エネルギー加速器実験ということ
>では．．．やはり私の記憶や認識違いでしょうか？

ウォルトン、コックロフトの実験は本来はジョージ・ガモフの「トンネル効果]の理論を実証するためのものでした。でもリチウムに陽子をぶつけたらベリリウムではなく、出てきたのはヘリウムの原子核（アルファ線）２個だったのです。

ＫＥＫの一般公開が今年は９月５日にありますから、見学に行かれる事をお薦めします。
http://www.kek.jp/openhouse/2010/

疑問点をまとめておいて、直接現役の研究者に聞いてみると良いでしょう。

まあ、個人で実験をやってもほとんど過去に行われた実験の追試にしかならない可能性が高いのですが、こういうことを自分でやってみたいというガッツに対して私は賞賛を惜しみません。

回答No.5

Tacosan

ちと調べると, 水素プラズマを完全に電離させるためには電子温度で 10 eV くらいが必要で, これを温度に直すとおよそ 100 kK. えぇと... 紫外線で叩き出した方がはるかに簡単....
ちなみに中性子の半減期は (885.7±0.8) s だそうです.

お礼

ご回答ありがとうございました。

家庭環境でやれるとすれば、水素の電離
くらいが限界のようですね。

中性子は高エネルギー加速器でもなければ
難しいようですし、被爆は勘弁してほしいの
でやめておきます。

昔の研究者は被爆するとも知らずにこのよう
な実験を繰り返したのですね。

そのような実験を繰り返した結果、癌で死亡
した研究者も多かったことでしょう。

しかし、その結実が現代の科学技術を支えて
いると思うと感謝の極みですね。

有り難うございました。

ね。

回答No.3

Tacosan

中性子についていえば, 100 cc くらいだと置いておけません (そもそもべらぼうな質量を持つうえに β崩壊する) が直径 10 km くらいまで育てれば安定に存在します. 「中性子星」っていうんですけどね.

お礼

ご回答ありがとう御座いました。

>中性子についていえば, 100 cc くらいだと置いておけません．．．

申し訳ありません、瓶の中での中性子の密度に言及していませ
んでした。

常温、１気圧下でのヘリュームガス程度の密度を想定して書きま
した。（中性子ジャムのような状態ではなく．．．）

「中性子星」って重力崩壊した恒星の燃え粕（言わば星の遺骨）
のことですよね。　質量が足りず超新星爆発もしないんですよね。
死ぬまでに月くらいに見える望遠鏡が開発されたら拝んでみたい
ものですね。

回答No.2

noname#115788

なかなか興味深い質問ですね。こういう事を考えている人もいるのかなと、大変参考になります。

>１．陽子、中性子、電子はそれぞれ単独で取り出せると聞きました。

そうです。電子については、蛍光灯、真空管（電子レンジ）など身近に応用した家電製品があります。

>１）一般家庭でも入手可能な簡単で安価な機材でこれを行う方法
>　　をご存じなら教えて下さい。

陽子と中性子については、世界で初めて中性子を発見したウォルトン、コックロフトの実験が参考になると思います。ケンブリッジ大学のキャヴェンディッシュ研究所のサイトが大変判りやすいと思います。

http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cockcroftwalton/cockcroftwalton_index.htm
高校生レベルの英語力で十分読めると思いますから、是非読んでみてください。内容はとても易しいです。

>（２）これらの粒子を大量に抽出（たとえば１００cc程度）を瓶などに保存
>　しておく方法はありますか？
>（３）このようなことを実際の研究機関ではどのように行っているのですか？

瓶に保管するのは無理ですが、シンクロトロンを使って保管できます。
ＫＥＫ（高エネ研）の下記のサイトを参照してみてください。

http://www.kek.jp/kids/class/index.html

>（４）　素朴な疑問ですが、

以降の質問は、素粒子と分子がごちゃごちゃになっていますから、ＡＮ１の方もおっしゃるように、少し勉強されて疑問点を整理してから質問されると、回答が付くと思います。

お礼

ご回答ありがとう御座いました。

いろいろ調べてみたのですが、
家庭環境で素粒子の実験や観察を行おうと思うと電子は
電子管等で何とか自作できそうですが、水素を電離させ
て電子とイオン（陽子）を取り出すとなると水素原子１個を
イオン化するエネルギーが13.6eV必要とかで（これは加熱
でなんとかなるのかな？）

さらに直流電場をかけて陽子と電子を分離して取り出さな
くてはならないようですね。　昔の研究者もそんな装置を使
っていた絵を見た記憶があります。　　これらを揃えようと思
うと安定化電源装置その他一式でいくら掛るんでしょう？

中性子の剥ぎ取りは高エネルギーが必要で、被爆の危険も
あるようですね。
しかも水素には含まれていないので窒素などを使う必要が
ありそう。

あと、「桐箱」は簡単に作れそうでした。　α線源も入手可能
とか．．　　

＞シンクロトロン（加速器？）を使って保管するという記述は
探しましたが見つかりませんでした。　「保管」という以上、何
らかの器内と思いますが、何ですか？

中性子の発見者はジェームス・チャドウィクと記憶しておりま
したが．．．

ウォルトン、コックロフトの実験は高圧トランスが実用化でき
たことによる世界最初の高エネルギー加速器実験ということ
では．．．やはり私の記憶や認識違いでしょうか？

＞素粒子と分子がごちゃごちゃに．．．

申し訳ありません。　整理し、もう少し勉強してから再質問さ
せていただきます。

ただ決して水素分子の物性にについて質問したかったわけ
ではなく陽子１と電子１により構成されていることからこのよ
うな疑問となりました。

またよろしくお願い致します。

回答No.1

noname#160321

ネットのWikipediaで各粒子の項目をまず読んで下さい。
教養の物理学の教科書も読んでみて下さい。
それから、電磁気学の入門の教科書を読んで下さい。
すると大体分かります。

お礼

ご回答ありがとうございました。

Wikipediaは繰り返し何度も読んだのですが(4)の
ような素朴な疑問には答えを見出せませんでし
た。　動いている中性子は電荷がないので電磁
場では速度制御不能とありましたが、陽子と電子
には速度制御に関する記述は無く、止めておける
ものか？という疑問がありました。

また陽子と電子を同じ器の中でほおっておくと正負
の電荷が引き合って電子が陽子に捕捉され水素
原子になってしまわないのか？またそのとき何が
おこるのか？と．．．個別の解説から解りません
でした。（読み逃しでしょうか？）

電磁気学の概論は随分昔ですが高校（電気科）で
概ね習いました。（かなり忘れていますが．．．）
しかしこの頃習った電子はモデルは惑星公転形で
「電子雲」などというイメージはつい最近知りました。
そこで(4)の電子雲の本来のイメージに関する疑問
となったわけです。

またよろしくお願い致します。