元素の中の、原子核と電子以外の部分には何が詰まっている？

質問

元素の中の、原子核と電子以外の部分には何が詰まっている？
高１女子。化学の教科書や参考書によく「元素が東京ドームだとすると～…元素はスカスカの状態なのである」と書いてあるのですが、ではこのスカスカの部分には何が詰まっているのでしょうか？
空気かな？と思ったのですが、空気は元素より大きい物質ですよね…

回答No.4

BookerL · ベストアンサー

スカスカの部分には何もありません。
　真空といってもいいですが、普通真空とは物質のない部分をいうのであり、物質自体を構成する原子の内部について「真空」というのはおかしいかも知れません。

　で、原子核と電子の間には何もないので、原子を押しつぶすような巨大な力が加わると、電子が原子核に押しつけられ、体積が 10000……00分の１にもなってしまいます。正確に何分の一かは、今ちょっとわかりませんが、とにかくものすごく小さくなってしまいます。

　地球上ではこんなものすごい力は作り出せないのですが、太陽の何倍もある恒星が超新星爆発をするとき、その中心部はこのものすごい力のために電子が原子核に押しつけられ、「中性子星」というものができます。この中性子星の１立方センチを持ってくると、質量は富士山１つ分くらいになるそうです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E6%80%A7%E5%AD%90%E6%98%9F

　逆に言うと、われわれの身の回りの物質は、中性子星に比べて 10000……00倍もスカスカなわけです。

お礼

「何もない」んですか…不思議な世界です。
ごくごく最近化学に触れたばかりの初学者なので、皆さんの白熱した激論もwikiを片手に頑張って読み下そうとはしましたが、とても私には理解できませんでした。ただ、皆さんの化学への愛を見ていたら私も化学を好きになれた気がします。これからもっと勉強して、今度は私も激論に混じりたいです。
htms42さんとどちらをベストアンサーにするか迷ったのですが、先にご回答いただけた方を選びました。皆さんありがとうございました。

回答No.11

101325

回答番号：No.6の「古典的に考えても何もありませんし、量子論的に考えても何もありません」のところが少し分かりにくかったようなので、説明を加えます。

> ＞量子論的に考えても何もありません。
> は何を持ってそう言われるのかわかりません

古典的に考えて何もないならば、量子論的に考えても何もない、ということです。

量子論的に考えると軌道（オービタル）がある、と主張するのであれば、古典的に考えると軌道（オービット）がある、としなければならない、ということです。

ひとによって、いろいろな考え方があるでしょうから
　「古典的には真空で、量子論的には真空です」
といってもいいでしょうし、あるいは
　「古典的には軌道（オービット）で、量子論的には軌道（オービタル）です」
といってもいいでしょう。しかし
　「古典的には真空で、量子論的には軌道（オービタル）です」
といってしまうと、原子軌道というものがあたかも現実の空間に実在するかのような印象を与えてしまうので、好ましくないと私は考えます。

> 電子をエネルギーの一形態（波）と考えたものが量子論です。

記憶違いだと思います。
電子をエネルギーの一形態と考えるのは、相対論です。
電子を、波に似たところがある粒子（古典力学の法則に従わない粒子）と考えたものが、量子論です。

電子をエネルギーの一形態と考える、相対論を含んだ量子論もたしかにあるのですけど、化学ではあまり使わない理論ですし、なによりも高１女子にきちんと説明するだけの知識が私にはありませんから、もしこのことについて知りたければ、物理のカテゴリーで質問してみてください。原子核と電子以外の部分には、クーロン力を伝える別の何かがある、ということを詳しい方から分かりやすく教えてもらえるかもしれません。

> 原子核の周囲にエネルギーの波として存在し、

この部分も、記憶違いだと思います。

この二箇所を除けば、回答番号：No.9の「電子を粒子で原子核の周囲を運動していると考えると《中略》その内側にも外にも存在確率はゼロではない」という説明は、よい説明だと私は思います。

回答No.10

htms42

化学をい習い始めたばかりの高校生の質問です。
なんでダークマタ―がどうのという話をしなければいけないのでしょう。
質問は「原子核と電子以外の部分には何が詰まっているのか」です。
教科書には「原子の大きさと原子核の大きさは１０万倍程度異なる」という文章が出てきます。東京ドーム・・・は大きさのイメージを取るために教科書が採用したたとえです。（私は「学校の敷地の大きさと地球の大きさぐらいの違いである」と説明しています。）
こんなに大きさに違いがあればその間はどうなっているだろうかと考えたことから出てきた質問です。
（大きさについてはラザフォードの実験が背景にあります。）

＞空気かな？とも思ったのですが、　
という疑問を持つというレベルにいるのです。
それにたいしては「真空」という答えでいいと思います。

水素の構造を考える場合は何もない空間の中の電子と陽子を置いて考えます。
相互作用はクーロン力のみです。
クーロン力の比例係数は真空にたいするものを使かっています。
古典的に考えようが量子力学的に考えようががこの部分は変わりません。
量子力学をあてはめて得られた結果としての電子の存在の仕方が古典的な軌道のイメージとは異なっているということがあったとしても何故それを詳しく言う必要があるのですか。
当然量子力学は習っていません。
高校1年の１学期です。
この先3年生までの事を考えてもそれほど詳しいことは必要ありません。

ｓ軌道を例に出してどの場所にも電子がある（存在確率はゼロではない）と力説されている回答があります。でも１ｓでなくて２ｓで考えれば節があるのですから存在確率＝０の場所が出てきます。２ｐにも節があります。
存在確率＝０であるとか存在確率≠０であるとか言うことのできる舞台としての空間は真空であるとしか言いようがないのです。

電子が陽子にめり込めば原子の大きさが原子核の大きさになるのですから大きさは１０万分の１になります。中性子星について話をされるのであれば高校の教科書に載っている１０^5倍（体積で言うと１０^15倍）という数字ぐらいは知っておいてほしいですね。

回答No.9

ORUKA1951

＞量子論的に考えても何もありません。
は何を持ってそう言われるのかわかりませんが、電子を粒子で原子核の周囲を運動していると考えると、それは電荷が加速度運動をしていることになり、電磁波を放出してエネルギーを失い陽電荷を持つ原子核に一瞬にして墜落することになる。そこで、電子をエネルギーの一形態（波）と考えたものが量子論です。
　その場合電子の存在確率は波動関数で示され、原子核の周囲にエネルギーの波として存在し、その存在確率を示すものが、いわゆる原子軌道と呼ばれる電子の状態です。電子雲はそれを視覚的に表現するとあたかも雲の様に表現されることにたいする言葉です。たとえば水素原子の基底状態において電子の存在確率は原子核を中心とした半径方向に、正規分布曲線のような（形はずれているけど）形でしめされます。私たちが図で示されているこの1s軌道をみると球のように見えますが、それは電子の存在確率が90%とかになる部分を示しているにすぎません。その内側にも外にも存在確率はゼロではない。
　その軌道半径の中間点を結んだ球体の位置でも電子は数分の一で存在する可能性があるので確率的にはゼロでないということ。
　私はこれを習ったのはもう３０年以上前の大学１年の時ですがいまだに鮮明に覚えています。
「粒子が時刻tに位置→{q}に存在する」という波動関数いΨ(t,→{q})の絶対値の二乗は、粒子の存在確率密度P(→{q},t)を与える。」
　「電子が詰まっている」というのは私は言っていなくて、電子が存在する確率はゼロではないと言っているのです。

＞ダークマター
　これは、天文学に置いて宇宙空間に私たちで観察できない質量が存在するという話題で原子内に存在すればそれは質量として散在するので最初の定義と矛盾します。
　ダークマターという考えが必要か必要ないかから、ダークマターの正体が何であるかの器論も盛んですが、そもそも宇宙空間の真空であるところに存在する質量をもつ物質。原子内に存在しているなら宇宙の真空部分には原子すらないです。
暗黒物質 - Wikipedia ( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%9A%97%E9%BB%92%E7%89%A9%E8%B3%AA )

回答No.8

noname#114659

＞もちろんダークマターとは関係ありません。
と言い切っている回答者さんがいらっしゃいますが、それを証明できるのでしょうか？
このように解明されていないことを言い切る人の言っていることの方こそ信用ならないものです

それを踏まえ結論を言うと、解明されていないことなのでアレコレ言うのは想像でしか無いということです

回答No.7

noname#160321

＃６のお答えの、
>波動関数について習うと、電子雲という答えには決してならないことが分かります。
は、理解不能です。
また、
>「原子核と電子以外の部分には何が詰まっている？」という問いに対して、「電子が詰まっている」という答えはありえないですよね。
は単なる揚げ足取りでしかありません。

回答No.6

101325

スカスカの部分には何もありません。
古典的に考えても何もありませんし、量子論的に考えても何もありません。
何もないんだから真空なんだ、という考えもありだと私は思います。

大学で波動関数について習うと、電子雲という答えには決してならないことが分かります。
また、「原子核と電子以外の部分には何が詰まっている？」という問いに対して、「電子が詰まっている」という答えはありえないですよね。

ところで、「元素が東京ドームだとすると～」ではなくて、「原子が東京ドームだとすると～」ではないですか。

補足

＞ところで、「元素が東京ドームだとすると～」ではなくて、「原子が東京ドームだとすると～」ではないですか。
あ…！すみません、原子と元素を混同していました。そうなると「元素の中には～」ではなく「原子の中には～」ですね。恥ずかしい…訂正します。

回答No.5

ORUKA1951

古典的には真空で、文字通り何もないのですが、量子論的には電子です。
　電子はそのレベルになると、(存在と非存在の)波として存在していますから、その何もない空間に電子をぶつけると、いつかは、突然に電子があたかもそこにあったように弾き飛ばされてでてきます。原子の内部だけじゃなく原子のはるか遠くに突然観察されることもある。--トンネル効果と呼ばれる現象。
　このあたりは、今の高校の指導内容にはないので見ることはありませんが、いまから二十数年前の化学の教科書には、この波動関数の解析結果の図が掲載されていた。
　もちろんダークマターとは関係ありません。

回答No.3

noname#114659

まだ解明はされていませんが、その部分がダークマターだと思われます

回答No.2

Takuya0615

電子雲があります。電子は超高速スピンしていますよ。
理論上は真空ですが一番詳細に見れる電子顕微鏡では電子を見ることが出来ないので何とも言えません（＞＜）

回答No.1

ziziwa1130

当然真空です。