原子殻と電子の間には‥‥

質問

コップの中の水を見た時、隙間なく水が入っている。それは水分子が詰まっている状態。水分子は酸素原子と水素原子から出来ている。各々の原子は原子核と電子から出来ている。では、原子核と電子の間はどうなっているのでしょうか。
気になってしかたありません。お分かりになられる方がいらっしゃいましたらどうかご教授下さい。

回答No.11

kenojisan · ベストアンサー

私は素粒子屋さんでは無いのですが、みなさんの議論に少し誤解が有る気がするのですが。
質問者gaianさんの内容の意味では、普通に「真空」で良いのではないでしょうか？
No8でgaianさんが疑問に思われた「物質間に何もない状態があるとすると、そこには急激な引力（真空を埋めようとする力）が働くと考えられるからです。」は、大昔の真空に対する勘違いと同じで、真空は決して物質を引き寄せたりはしません。
日常生活で、真空に物が引き寄せられるように思うのは、大気圧で押し込まれるからです。
電子は、みなさんが述べられているように、電子のエネルギーと原子核の陽子の数に従って、ある距離の範囲に存在確率が最大を持つような形で、モワーっと有るイメージです。
では、なぜその隙間に物質が入ってこないか？普通の原子は自分自身も外側に電子の皮をまとっているために、電子－電子の電気的反発で入り込めません。
ただ、素粒子なら入り込めます。たとえば、中性子や光（Ｘ線、γ線）は電荷を持たないので、容易にこの空間を通過して原子核まで到達できます。
また、高圧力をかければ、この空間を縮めることが出来て、物質の原子間距離は少しですが小さくできますよ。
おそらく、みなさんが述べられているのは、「真空とは決して何も物質が存在しない空間ではない」という素粒子論の定義だと思います。確か、真空を高エネルギーで励起すると、粒子と反粒子の対が出てくることから、真空はある種の素粒子で満たされていると考えられる、という話だと思います。これは、電子と原子核の間に限らず、普通の意味での真空も同じことです。
多分、「真空」に種類は無いと思いますが。

お礼

ご回答有難うございました。
＞真空に物が引き寄せられるように思うのは、大気圧で押し込まれるからです
納得です。その他も今まだのところをまとめてわかり易い回答をして下さって有難うございます。
大分解ってきました。また解らないところがあれば質問させて頂きます。どうも有難うございました。

回答No.10

apple-man

>確かに私もそう思います。真空を“何もない”状態だとすると問題があるように思います。

物理学で使っている真空という言葉には２つの
意味があって、同じ真空という言葉で説明して
いても、使い分けています。

物質的な真空と、エネルギー的真空です。
エネルギー的な真空のほうを、物理学的
真空と記載している本もあります。

　原子核と電子の間には物理学的真空が
広がっています。物質はありませんが、
エネルギーは存在しているんです。
ですからクーロン力が働いている

　クーロン力も光速を超えては伝わらないので、
原子核から電子に伝わっている中間の状態が
考えられます。この運動量を運んでいる中間の状態が
仮想光子ですが、それを取り出すことは
できないので、存在は直接は確認できない
んです。つまり何もないのと同じ、
空っぽと同じという意味で真空なんです。

　物質的真空は、日常的な感覚の
真空のことで、ガスが入っていないと
いったような状態のことです。

お礼

ご回答有難うございます。
エネルギー的真空というのを知りませんでした。解りやすい説明有難うございました。

回答No.9

kanachan0099

またまた失礼します。まずは、簡単な量子力学の本をお読みになってはどうでしょうか？水素原子のことはどの本でも書かれています。gaianさんのイメージする真空に関して、意味不明なため（gaianさん、すみまん。）、別件で質問あるいは過去ログ等を参考にされるとよいと思います。第二量子化とか場の理論という基礎量子力学の延長が必要で、かつ本質問とは、離れた問題になっていきますので。全く関係ないわけではないわけではないですが、混乱のもとになるかと思われます。

お礼

ご回答有難うございます。
確かに当初の質問とは離れてしまった感があるのですが、興味がある話なので自分で勉強していきたいと思います。その上でまた解らないところが出てくれば質問させていただきたいと思います。どうも有難うございました。

回答No.8

Dicynodon

このスケールの話では，「真空」という言葉の意味を再定義しなければいけないと思います。
なんというか時空の構造そのもにかかわってくると思うので。

補足

＞「真空」という言葉の意味を再定義しなければいけないと思います。

確かに私もそう思います。真空を“何もない”状態だとすると問題があるように思います。つまり物質間に何もない状態があるとすると、そこには急激な引力（真空を埋めようとする力）が働くと考えられるからです。　しかし量子場を考える時はどうなるのでしょうか？今までの話からすると、波動関数に従い電子が存在する時、あるところに電子が存在する時には他の存在しうる領域は真空になっているという考えではなく、波動関数の成分が等しい領域には同じ存在確率で全体的に存在している、という考えのように思われます。この場合、真空の定義が違うというより真空を定義していないと思うのですがいかがでしょうか。

回答No.7

First_Noel

＃２です．再度失礼致します．

＞この考え方は、あるいは“あらゆるところに電子が
＞存在する”と考えても良いのでしょうか？

例えば一番簡単な水素原子モデルですと，
電子の波動関数は「球面調和関数」で表されます．

その関数はいろいろな成分を持っている（電子軌道１ｓとか２ｐとかを表現します）のですが，
遠方ほど小さくなる以外にも，ところどころに０となる「節」があるものもあります．
その結果，例えば１ｓ軌道では球状にぼわっとした感じですが，
２ｐとかだと風船が二つくっついたような形でぼわっと言う感じになります．

しかもこの風船ぼわっがくるくる回ってて，それが磁気量子数とかで
表される性質を呈します．
（例えば，原子から光が出るとき，右円偏光か左円偏光になるか，とか．）

お礼

再度ご回答有難うございます。
なるほど納得！とまではいかないのですが、なんとなくイメージができ一歩前に進んだ感じです。
つまりは、あらゆるところに電子が存在するという訳ではなく、波動関数のもつ成分によって存在する範囲が異なる、という訳ですね。

回答No.6

kanachan0099

No2, No3さんの回答での意味は、物理学等では電子雲と呼ばれています。量子力学では波動関数というものがあり、波動関数の２乗が確率密度といいます。電子雲はここでは確率密度とほぼ同じ意味です。電子雲の平均の大きさが原子の大きさになります。分子の原子が結びついているのは、古典的には電子の共有結合などですが、量子論では波動関数の重なりです。太陽系のような原子の描像では太陽と地球の間は"真空"のように見えますが、原子の電子は量子力学により、位置がワープ”している”かのようになるので、古典的なイメージと異なるのが事実です。真空や仮想光子につてはQED（量子電磁力学）での話なのですが、gaianさんの疑問解決にはとりあえず、気にしなくてもよいかと思います。”真空”とは何かは、また異なった質問になるかと思います。まずは、電子雲や電子軌道等をgoogleでお調べになってください。図なども見つかります。

お礼

ご回答有難うございます。
大分解ってきました。量子力学は古典力学とは違った考えをするのは知っていたのですが、kanachan0099さんの回答でより具体的に理解することが出来ました。
有難うございました。

回答No.5

kanachan0099

"原子は原子核と電子から出来ている"という意味は、電子が原子核の回りをまわっている描像はご存知でしょうか？
ご存知でなければ、"ラザフォード"をキーワードに検索してみてください。もしくは、"原子模型"、"長岡半太郎”も。このことが、ご存知であれば、”前期量子力学”、"ボーア模型”等をご参考にしてください。さらに、余裕があれば”水素型模型”等も検索してください。原子の構造の物理は２０世紀初頭にかなり進みましたので、そのあたりの物理の歴史をご参考にしてください。

補足

ご回答有難うございます。
原子模型について理解したところで更に解らなくなってきたことがあります。それは、原子核の周りに電子が存在する一定の範囲というのが原子核の大きさに比べてかなり大きい事から、水分子のほとんどが真空であると考えられる点です。どのような描像を描けばいいのか解りません。ご回答、お願い致します。

回答No.4

apple-man

電子と原子核の間には、クーロン力が働いて
います。このクーロン力を伝えているのが、
仮想光子と呼ばれるもので、原子核と電子の間では
この仮想光子が発生と消滅を繰り返しながら
多数存在していると考えられています。

　しかし、仮想光子も粒子と考える限り
その隙間が必ず存在します。隙間には
何もないとしか考え様がなく、
これは無の存在を認めるかどうかと
いう問題なのですが、同時に学校で
教えるような原子、電子といった粒子論
に疑いが持たれている一つの理由に
なっています。

お礼

＞隙間には何もないとしか考え様がなく

私も何もないと考えるしかないとは思うのですが、何もない完全な真空というのはあまりにもエントロピー的に不利だと思うのです。

回答No.3

K-1

昔は原子核の周りを「電子が一定の軌道をくるくる回ってる」というイメージがありましたが、
最近は＃２さんのいうように「一定の範囲に電子があるっぽい」に変わりました。

原子物理学とか量子学は研究が進むにつれ、確率とか「あるような気がする」というのが増えてくるような「気がします」

補足

＞一定の範囲に電子があるっぽい

量子論はイメージがつきにくいのですが、一定の範囲においては電子の存在確率は等しいのですか？

回答No.2

First_Noel

＃１さまのおっしゃる通りです，
それを量子論的に眺めますと，
「原子核の周りには，
　原子核のすぐそばから宇宙の果てまで，
　電子が幽霊のように，ある存在確率でぼや～っと存在する」
と言うような状況です．

補足

>電子がある存在確率でぼや～っと存在する

この考え方は、あるいは“あらゆるところに電子が存在する”と考えても良いのでしょうか？

回答No.1

noname#20317

原子核と電子の間は真空になっていますよ！