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.8

siegmund

siegmund です．

○ 電子が原子核に落ち込まない説明は不確定性原理でもいいですが，
束縛状態のエネルギーが離散化されていることと，
散乱状態のエネルギーが連続であることまでは
すぐには説明できないように思います．
単に不確定性原理だけだと，水素原子の最低エネルギーの上に
ずっとエネルギーが連続的にあってもいいことになりそうです．

○ stomachman さんが最初に書かれたように，
電子波の概念を使うと３つがうまく統一的に説明できます．
電子が原子核に落ち込んでしまうと，電子波が作れない．
束縛状態というのは時間がたてばいずれ同じ場所に戻ってくるのだから，
電子波の頭としっぽがちょうど合うために軌道の制限 → エネルギー量子化
がおこる．
散乱状態なら元に戻って来ないから，電子波の頭としっぽがどうのこうの
という必要はなく，エネルギー量子化は起こらない．

○ でも，いずれにしろ，正しい概念に基づいているわけはないので，
どこかボロが出ます．
motsuan さんのフェルミの接触相互作用がその好例ですね．
核磁気共鳴などの話では波動関数の形などが重要なので，
半古典的な軌道概念ではお手上げです．

○ 不確定性原理の最も精密な形は
Δx・Δp ≧ h/4π
です．H. ワイルなどが厳密な証明をしています．
等号が成り立つのは，1次元調和振動子の基底状態です．

○ 化学結合で，電子が２原子核間を移動することで結合が安定化するのは，
不確定性原理の効果というよりは，
共鳴効果，あるいは波動関数の言葉で言うなら交換積分の効果です．
有名な話は，水素分子に対するハイトラーとロンドンの仕事，
水素分子イオンに対するポーリングの仕事などです．