電子って像にならないのですか

質問

「原子内の電子を像として観測することはできない。」

という話を聞いたのですが、なぜなのか調べてもわかりませんでした。

答えをご存知の方、教えてください。お願いします。

回答No.3

boson

「原子内の電子を像として観測する」実験とは
（仮想実験でかまわないのですが）下記(A)(B)のどちらの実験
を指しているのでしょうか？

(A)「原子内の指定した瞬間の電子の位置を測定する実験」
(B)「原子内の電子の存在確率分布を測定する実験」

(1) (A)の実験つまり「スナップショットが撮れれば良い」のであれば、原理的には可能なはずです。
（例えば、原子の外から光なり電子を当てて、原子内の電子の位置を特定する実験が想定されます。）

位置と運動量を同時に測定することは不確定性原理によって禁止されますが
この場合は位置だけを測定していますので、原理的には可能です。
この実験では原子核の周りを飛び回る電子が粒として「撮影」されます。

(B)の場合ですと...

(2) もし、一個の原子に対して(A)の測定を連続的に行って
電子が原子核の周りを飛び回る様子をアニメーションのように
表示させる実験であれば失敗します。
初回の(A)の測定によって電子の位置情報を得てしまうと、
不確定性原理によって電子の運動量の状態が不確定になります。

より具体的には、原子の外から光なり電子を当てて、原子内の電子の位置を特定すると
観察された原子内の電子は運動量を与えられてしまってどこかに吹っ飛んでしまいますので
（つまり(A)で電子の位置の測定を行うと破壊検査しかできません。）
2回目に(A)の測定を行うと電子は1回目の(A)の測定で得た位置の近くにはいません。
1回目の(A)の測定と2回目の(A)の測定の時間間隔を狭めても
原子内の電子の位置の2つの測定結果の間の距離は縮まることはありませんので
原子内の電子状態を、電子の飛行の軌跡として連続的に追跡できるようにはなりません。

(3) 一方、(B)の実験として
同じ状態の原子を多数用意して各原子に対して1回だけ(A)の実験を行い、
それらを画像として重ね焼きするのであれば、それは可能です。

例えば
http://science.news2ch.net/read.php/1103176826/
「強力フェムト秒パルスレーザーを使ってHOMOを直接観察」

では一個の原子に対して(B)の実験を行うことは不可能かと言えばそうではないと思います。
測定を一回で終えれば良いわけですから。

(4) 原子内の電子の状態が、あらかじめ
　　　ψ1, ψ2, ... , ψn
　　のどれかであることが判っているとき、
　　一回の測定でψ1～ψnのどれであるかを決定する。

という実験であれば可能です。

結局「像として観測する」の意味がどういう意味なのか次第で
可能なことなのか不可能なことなのかが決まります。
（パソコン上のCGとして再現されるので良いのであれば(4)で良いはずですし...
　(3)の「重ね焼き」すらも禁止というルールなんでしょうか？）

「原子内の電子を像として観測することはできない。」
という話はどこで聞いたのですが？

回答No.2

Sompob

モノを見る為に「光」を当て反射し、それを測定器が捕らえて初め
て「見る」んでしょ。対象から「反射」してくる事。これが第一。

但し、対象物の大きさより「短い波長の光」でやらないと、ナマク
ラに反射するか、跨ぎ超えてしまいます。像が、良くてボケる、悪
けりゃ、何も写らんって事に。

可視光線なら、道に落ちてる１０円玉が分かりますが（可視光線の
波長が１０円より短いから）、周波数６００ＭＨｚの電波は、波長
５０ｃｍですから、それより小さいモノが分からなくても文句は謂
えませんね。

で、電子。苟も質量が測定される森羅万象中、最小の「物体」。

電子の直径より短い波長の光を当て、その反射を捕らえれば．．．
ご名答ですが、生憎とそんな都合の良い光は存在しません。

光とは要は、電子の振動ですから、自身より短い波長の光は作り出
せません。６００ＭＨｚで１０円を探すが如きしか出来ない。
→電子の直径（と思われる）に等しい波長を持つ光、その周波数は
３００ＺＨｚ（ゼタ・ヘルツ。ギガの平方のキロ倍）、波長はｆｍ
のオーダーの筈ですが、人間が作り出した最高周波数ですら、未だ
６桁足りませんから、この光を使っても、最小目盛りが１ｋｍのモ
ノサシを以て１ｍｍ（と思う）を測ろうとするのと同じなんです。
測定前からボケまくりって分かるし、フ、ふざけるなとも思うけど
最大限、これしか出来ないんです。

次。光は波長が短い程、即ち周波数が高い程、エネルギーが大きく
なります。又、相手が小さい程、ブっ突いた時の影響も大きい。
こう謂う部分、光の粒子性が顔を出します。
電子は、この世の最小物体ですから影響が大きい処じゃ無く、出鱈
目な事になります。

光を当てた瞬間、電子はハジキ飛ばされてしまいます。光が当たる
前後で、電子が位置と運動量を変えさせられて仕舞いますから、シ
ャッターを押した瞬間に子供が動く様なもんです。
結果、ピンぼけ写真にて、子供の位置が不正確になる事はお判りで
しょう。

纏めると、
位置と速度を正確に満足する様な測定は金輪際出来ない。ミクロの
世界ではそれが顕著である。と謂う事です。

位置と速度のボケ具合の積、これをブランク常数と謂いますが、こ
れを元に．．．
長さ１ｃｍの物体は、誤差３兆分の１メートルで位置を測定出来ま
す。これなら、申し分無いかも知れませんが、小さくなると誤差が
拡大します。アメーバの大きさなら３億分の１メートル。最小のリ
ケッチャウイルスなら誤差３百万分の１メートルで位置を測定出来
ます。

が、陽子の大きさなら自身の百万倍、電子なら自身の百億倍の誤差
を持ちます。原理的に電子は、自身の百億倍の球の中の何処かに居
るよ．．としか謂えないのです。
尤も、確率を考慮すると、もう少し小さな球になります。これが、
「電子の雲」として「像」になるんです。
居る確率が高い程、雲が濃くなる。

あたかも、ボクが行方不明の時、行動範囲全てを探さなくても、近
所の飲み屋に居る確率が高いのと同じです。

以上は例えを交えてますから、そのまま鵜呑みにしないで下さい。

回答No.1

Scull

簡単に言えば、人類が操作できる粒子で「最も小さい物」だからです。
例えば物を触って感じる場合、対象よりもこちらの方が小さい必要があります。そうでなければ、感知誤差以下の観測しかできないからです。

ですから、電子を道具として観測する事はできますが、電子その物を観測対象とする事はできない訳です。

町工場の職人がマイクロメートル単位の誤差を触って感じられるのは、職人の指がマイクロメートル以下のサイズで動き、その動きを捉える事ができるからです。感知精度がミリメートルの物に、マイクロメートル単位の誤差は判定できません。

同じ様に電子の観測を行う為には、電子よりも小さいサイズの物を観測道具とする必要がありますが、人類はまだそう言う物を実際には感知していないのです。