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原子の励起エネルギーについて

「基底状態の原子に「原子の励起エネルギーE1」と同じエネルギーの光子をあてると(又は何らかのことを施すと)、その原子は、基底状態から励起状態になり、その後(平均寿命で?)、エネルギーE2=h・ν2(=E1?)の光子を放出して、基底状態に戻る」、というような現象があるかと思います。 質問(1) 原子が励起状態から基底状態に戻るときに(戻ることにより)原子から放出される光子のエネルギーE2=h・ν2は、 (A):地面からの高さ(重力の強弱)によって異なるのでしょうか? (B):あるいは、地面からの高さ(重力の強弱)によらず同じなのでしょうか? 質問(2) 「原子が励起状態から基底状態に戻るときに原子から放出される光子のエネルギーE2=h・ν2が、地面からの高さによって異なる」場合(質問(1)で(A)の場合)、それは、 (D):原子の励起エネルギーE1が重力の強弱によって違うため(E1=E2なので、E1が違うとE2も違うことになるため)?、 (E):放出される光子のエネルギーE2が重力によるドップラー効果の影響を受けるため?、 (F):(D)と(E)の両方のため?、 (G):その他のため?、 なのでしょうか? 質問(3) 質問(2)で(D)(又は(E))の場合、 (H):「原子の励起エネルギーE1」≠「原子が励起状態から基底状態に戻るときに放出される光子のエネルギーE2」になるのでしょうか?、 ( I ):あるいは、その他のことになるのでしょうか? 知っている方がおられたら、教えていただけると、ありがたいです。 (何かおかしなことをいっている、意味不明の場合は、無視してください。「分かっていれば、質問しない」→「質問しているというこは、よくわかっていない」ということで、ご容赦ください。) よろしく、おねがいします。

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  • Tann3
  • ベストアンサー率51% (708/1381)
回答No.2

 ご質問で「原子」と言っているのは、正確には「軌道電子」ですね。  軌道電子が、外からのエネルギーを受けてエネルギー順位の高い軌道に移り、そこからエネルギー順位の低い軌道に移るときに一定の波長の光を出す、ということです。 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E9%85%8D%E7%BD%AE  これは、古典的なイメージでは、正電荷の原子核と負電荷の電子が電気的に引き合い、それと電子の回転運動の遠心力が釣り合って一定に軌道を回り続ける、というものです。(正確には量子力学の世界では違うのですが、簡単のためにそれで考えます)  質問者さんの疑問は、このときの「原子核と電子との電気的引力=遠心力」と、「地球と電子との万有引力」の大きさの違いがどの程度か、ということだと思います。つまり、地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか、ということ。  これは、計算してみればすぐに求まる話です。  電荷によるクーロン力は、   F=Q1・Q2/4πεr^2 で求まります。ここで、水素原子(原子核は陽子1個、軌道電子は1個)を考えると、   真空の誘電率: ε= 8.854×10^(-12) (A^2·s^2·N^(-1)·m^(-2))   水素原子核の正電荷量:Q1=1.602×10^(-19) (クーロン=A·s)   水素電子の負電荷量:Q2=-1.602×10^(-19) (クーロン=A·s)   水素原子のボーア半径(軌道電子の半径):r=0.5292×10^(-10) (m)  これから、クーロン力は   F=8.24×10^(-8) (N)   (1)  これに対して、電子の質量は   9.109×10^(-31) (kg) ですから、重力による力は、重力加速度 9.8(m/s^2)から、   F=9.109×10^(-31) (kg) × 9.8(m/s^2)    =8.93×10^(-30) (N)  (2)  (1)と(2)の大きさを比べれば、力の大きさが比較できますよね!  電子に対する地球上での重力による力は、原子核と電子との間の電気力の 10^(-22)、つまり 10^(22)分の1 (1兆分の1の、そのまた100億分の1)のオーダーということです。  これは「軌道電子の運動に、重力の影響はない」と言ってよいレベルです。  感覚論で判断できないものは、ラフで良いので定量的に比較してみることです。正確さよりも、「オーダー」(桁のレベル)での比較で十分なことが多いです。   

noname#225799
質問者

お礼

ありがとうございます。 具体的数値を挙げて、説明していただいて、ありがとうございます。 >「原子」と言っているのは、正確には「軌道電子」ですね。    ↑ ありがとうございます。「はい」です。 >軌道電子が、外からのエネルギーを受けてエネルギー順位の高い軌道に移り、そこからエネルギー順位の低い軌道に移るときに一定の波長の光を出す、ということです。 >これは、古典的なイメージでは・・・(正確には量子力学の世界では・・・ >質問者さんの疑問は、このときの「原子核と電子との電気的引力=遠心力」と、「地球と電子との万有引力」の大きさの違いがどの程度か、ということだと思います。つまり、地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか、ということ。    ↑ ありがとうございます。 私の質問は、それ(「地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか」)と等価なものになっているのでしょうか?(なっているということですよね。) そこが私が理解できていないところだと思います。 また、「・・・10^(-22)・・・「軌道電子の運動に・・・影響はない」・・・レベル」だと「励起エネルギーが変化しない」ということ、も私が理解できていところだと思います。 (「軌道電子の運動に関与していない」→「励起エネルギーは変化しない」。「軌道電子の運動に影響のないレベル(影響はあるが、影響を無視してよいレベル)」→「励起エネルギーは変化しないレベル(変化しているが、変化を無視してよいレベル)」≡「励起エネルギーは変化している???」、と思ってしまいます。) エネルギー準位Ean=-m・e^4/(2n^2・h^3)?    or エネルギー準位Ean=-m・e^4/(8ε^2・h^2・n^2)? というやつそのものが、重力の強弱によって、Ea1→Ea1’、Ea2→Ea2’、・・・のように変化し、 その結果、励起エネルギーE1(=放出エネルギーE2?)が、E1(E2)=Ea2-Ea1から、E1’(E2’)=Ea2’-Ea1’に変化する、などというこはあるのだろうか、 と思って質問した次第です。 ありがとうございます。

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回答No.1

質問(1) (B)を選ぶ。この現象にとって、重力の影響が弱過ぎで、重力を無視してもいいです。

noname#225799
質問者

お礼

ありがとうございます。 >質問(1) (B)・・・重力の影響が弱過ぎで、重力を無視してもいいです。    ↑ ありがとうございます。 ありがとうございます。

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