原子における電子の運動について

質問

原子において電子って本当はどんな運動をしているのですか？
量子力学ではいろんなモデルが出てきました。ド・ブロイやシュレーディンガーなどなど。名前は忘れましたが、そのような小さな場合では観測できないと言う法則がありましたよね。でも、量子力学以外の講義ではNとかM軌道の中にさらにｐとかｄとかの軌道があって３D的な複雑な運動をしていると教えられました。
　では実際、どのような運動をしているのですか？
３D的な運動やスピンというのは理論に当てはめた計算結果が合うから、予測できる運動だと聞きましたが。３D的な複雑な運動って言うんだから、それはどんな運動なのですか？教えてく下さい。書いてある本などがあれば教えて下さい。人によって言うことがバラバラだったり、スピンは自転みたいな運動だから・・・なんて言われて段々と混乱してきています。

回答No.6

siegmund · ベストアンサー

siegmund です．

> エネルギーレベルは原子核からの距離で決まっているのではないのですか？
古典的な場合のように円運動(の類)をしているのではありませんから，
原子核からの距離は決まっていません．
ただし，エネルギーは決まっています．
エネルギーを決めたとき，原子核からの「平均的距離」は決まります．
それを，ふつうは「原子核からの距離」と言っているのです．
電子がその距離でしか観測されないわけではなく，個々の観測値はばらつきます．
多数回観測したときの平均値がその距離と思ってください．

> 僕はやはり古典的な考え方を捨てられずに、
> 訳の分からないことを言っているのでしょうか？
古典的描像の呪縛から逃れていないのは事実と思いますが，
鵜呑みにせずに自分でいろいろ考えたら(これはとっても大切なことです)，
容易なことではありません．
表現は違いますが(現代的用語になっている)，
touch_me_8 さんの悩みは２０世紀のはじめの 1/4 位に世界の物理学者が
悩んだのと同様なことです．
1920 年代後半に量子力学が確立されてからも，いろいろ論争は続きました．

> 数式でしか説明できませんか？日本語では説明できないのでしょうか？
数式の問題ではなくて，基本概念の問題でしょう．
量子力学の基本概念は古典力学の基本概念とは根本的に異なります．
ある意味では世界観の変革まで強いたほどですから，
両者の概念の違いはシビアです．
したがって，量子力学の結果を古典的に説明するのは本来不可能です．
無理に説明しようとすれば，あちこちボロが出ることになります．

量子力学のテキストでも，
量子力学的概念がどうやって確立されて行ったかということについて
ほとんど触れないものと重視しているものとがあります．
例えば，ランダウーリフシッツは前者，朝永振一郎は後者です．
そのほか，岩波の現代物理学講座(1970年代出版のやつです)の「量子力学」にも
概念形成の記述があります．

お礼

「本当にありがとうございます。」としか、言いようがありません。でも、とことん追求していきたいです。気になって他のことが手につかないので。
　科学的なことを日本語で表現するジャーナリストになりたいのです。そうすればいろんなことをいろんな人に語ってもらい。それを理解して人に伝える。いい。
　最近は音声解析を自分でやっているのですが、量子力学は音声解析のように自分でパッと実験をしたり出来ないのが苦労の種です。どうもです。

回答No.5

siegmund

siegmund です．

brogie さん：
> (1)　　Δx・Δp ≦h/2π
> 不等号の向き逆で、
> (1)　　Δx・Δp ≧h/2π

あちゃ～，大失敗です．
式のミスプリントはいけませんね．
ご指摘の通りです．

なお，全体の論旨には変更ありません．

brogie さん，ご注意ありがとうございました．

回答No.4

brogie

回答は尽きていますが、あのsiegmund先生もミスプリントされているようです。
(1)　　Δx・Δp ≦h/2π
不等号の向き逆で、
(1)　　Δx・Δp ≧h/2π
となります。
失礼しました。

回答No.3

siegmund

私も guiter さんと同意見で，
touch_me_8 さんはまだ古典イメージの呪縛から逃れていないように思われます．
nikorin さんも書かれていますように，古典イメージを捨てないといけません．

> 分布していると言っても実際電子は動いているんですよね。

量子力学では位置と運動量を同時に決定(あるいは指定)できないというのが基本で，
これが不確定性原理です．
簡単に１次元で書けば，位置の不確定さ Δx，運動量の不確定さΔp，
この間に
(1)　　Δx・Δp ≦h/2π
の関係があるということです．
したがって，Δx=0 として位置を確定してしまったらΔp=∞ になってしまって
次の瞬間には電子がどこに行ってしまうのか全く予測がつかなくなります．
こういうわけで，原子内の電子の運動をたどるのは意味がありません．

「電子が回っている」の類の説明は，誤解を恐れずに言えばすべて誤りです．
量子力学をなんとか古典的描像で説明しようとした試みですが，
あちこちボロが出てしまいます．
もちろん，そういう説明を書いている人や講義している人がこのことを
知らないわけではありませんので，念のため．

guiter さんご紹介のページはなかなか面白いですが，
電子がこのページの点のようにランダムな運動をしているというわけでは
ありません．

> 電子同士がぶつかりそうなものですけど。
そこらへんがやっぱり古典的イメージから抜けていない気がします．

確かに「常識」とは異なった様子ですからなかなか理解しづらいですが，
もう少し勉強して頂くより仕方がないと思います．

guiter さんご紹介の
　http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=36150
はなかなかよい議論がされていますが
(私も書いている --- 自分でほめちゃいけないな)
それなりにレベルは高いです．
また，
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=119721
にもいろいろ記述があります．

スピンについては
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=102988
を参照下さい．

補足

一つ疑問が湧きました。入門的な本にエネルギーレベルの説明はどう解釈すればいいのですか。エネルギーレベルは原子核からの距離で決まっているのではないのですか？観測される確立が・・・という説明を受けると、原子が一つの場合は原子核からある一定の距離のところでしか観測されないと言うことですか？もし、そうでなければエネルギーレベルって何？という疑問が出てきますし、原子核から一定の場所でしか観測されないなら規則的な動きをしていると考えられ、電子の運動を予測できそうなものだと思ってしまいます。
　僕はやはり古典的な考え方を捨てられずに、訳の分からないことを言っているのでしょうか？数式でしか説明できませんか？日本語では説明できないのでしょうか？ファインマンさんは「式はどうでもいいんだ、それがどうなるんだね！」と式で計算される結果よりどんな現象が起こっているイメージを説明するように求める人だったと言うことが何かの本に書いてありましたが、そうは出来ないのでしょうか？

回答No.2

guiter

＞軌道ではないと言うことは電子の運動は不規則と言うことですか？
おそらくまだイメージが違うと思います。
nikorin さんの仰るように古典的な考えを捨てなければなりません。
原子核のまわりに存在している電子は波の性質が強く出ています。
１つの電子の動きを追いつづけることは出来ないのです。
ある分子が存在するときに波の性質を持つ電子が
その分子の形に合った共鳴するという感じです。

なかなか言葉だけでは難しいので、
参考ＵＲＬで
　State : H3s
としてみて下さい。
しばらく待ってみると、１つずつ点が描かれていきますね。
１回電子の位置を観測すると１つ点が打たれると思ってください。
すると、電子の観測される確率の高い場所とそうでない場所があることがわかります。
その観測される確率の高い場所が古典的なイメージで軌道と呼ばれています。

＞不規則に動いているとしたら水素原子はいいとしても
＞その他では電子同士がぶつかりそうなものですけど。
上に書いたように電子は波の性質を持ちます。
波は重ね合わせがききますのでぶつかるということにはなりません。

もう少しきちんとした話だと
　http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=36150
でかなり詳しい議論がされています。

参考URL：

http://www.nep.chubu.ac.jp/~nepjava/javacode/electroncloud/electroncloud.html

お礼

ご回答ありがとうございます。書いていただいたURLも参考にしながらもっと調べて行きたいと思います。でも、調べるとどんどん新たな疑問が湧いてくるのが現状です。電子顕微鏡で撮った写真とかが載っていると、この原子の輪郭はどうなっているんだ？周りに電子が回っている・・・電子は何にぶつかった？・・・不確定性原理ってどっからみちびかれてきたんだ・・・などなど、僕はわけ分からないことを言っているかも知れませんが疑問を解決していきたいと思います。
　本当にありがとうございます。

回答No.1

nikorin

「軌道」という言葉に惑わされてはいけません。
電子のつぶが軌道に沿ってぐるぐる動いているのではなくて、
電子は原子核の周りに「分布」しているんです。

量子力学を学ぶには、まず古典描像を捨てましょう。

補足

ご回答ありがとうございます。
軌道ではないと言うことは電子の運動は不規則と言うことですか？分布していると言っても実際電子は動いているんですよね。
ではその軌道と呼ばれるものはなんなのですか？不規則に動いているとしたら水素原子はいいとしてもその他では電子同士がぶつかりそうなものですけど。