平らな鉄板上に置かれた精密な鉄の立方体は浮いてる？

質問

接触面の鉄原子は、どういう状態になってるんでしょうか。
立方体側の鉄原子と、鉄板側の鉄原子は、原子核同士が接触してますか。それとも？
また、立方体の方が鉄以外の金属や元素の場合、接触面の状態は鉄同士の時とで何か変わるか、教えてください。

回答No.5

noname#212313 · ベストアンサー

鉄同士に限らず、個体同士が接触しているとして、ミクロにはどうなっているかですね。

　非金属であれば、原子の周りに電子があり、全体で電気的に中性になっています。その電子は決まった軌道に決まった数だけあります。ある軌道が電子で満杯なら、それ以上電子がその軌道に入ることはできません。

　そのため、他の原子核が近づいてきて接触したとしても、二つの原子のそれぞれの電子が反発して、原子核同士が接触しないことはもちろん、原子核から離れた電子の軌道のところまでしか近づけません。電子のクッションを介して接触しているような状態です。二つの原子ではなく、多数の原子が集まった二つの物体でも同じように、物体同士が接触するときは、電子同士が反発しています。

　鉄などの金属だと、金属特有の現象も起こります。金属では原子が持つ電子のうち、いくつかは金属の中を自由に動ける状態となっています。それを自由電子といい、金属が電流を流せるのは自由電子が動けるからです。

　それでも原子同士を結び付けている電子などは原子核がしっかり保持していて、そういう電子は自由に動きません。その自由には動けない電子は、非金属と同じように、二つの物体が接触したときには、反発する状態になります。

　一方、自由電子ですが、接触する金属が絶縁されていてば、反発力として働きます。ただし、移動できるために金属内部に押し込まれてしまい、原子核に保持されている電子の反発力よりは非常に弱い）。

　絶縁されていなければ、金属が接触した部分から互いに自由電子が行き来できる状態になり（だから絶縁しない金属同士が接触すると電流が流れる）、自由電子が共有された状態になってしまい、反発力としては働きません。

回答No.8

noname#221368

#7さんの言に従い、おおざっぱな話で済ませます(^^；)。

　まず基本的に普通の状況では、原子核同士は接触しません。接触したら核融合が起きて、鉄板と立方体が水爆になっちゃいますから(^^；)。

　空気中の鉄板と立方体の場合、どうがんばっても間に薄い空気層があるので、原子同士自体が接触しません。原子同士はどうやって反発しあってるかと言えば、（最外殻）電子の持つ電気力によると、とりあえず考えてOKです。なので鉄板は、空気を介して立方体に支持力を伝えています。

　そういう訳で、立方体は鉄板に浮かんでいると、言っていえない事はありません(^^；)。ボートを浮かべる浮力だって、水の水分子が集団で支持力を、ボートに伝えた結果ですから。

　ただし真空接着という現象はあるそうです。真空中で、ほぼ完全な鏡面になるくらいに磨いた金属同士を接触させると、空気層がないために、鉄板と立方体の原子の最外殻電子が共有されて金属結合を自然に起こし、鉄板と立方体が一体の金属になってしまうそうです（鋳型で鋳造したように）。

回答No.7

leo-ultra

質問者様

もっともらしい回答がいくつか来ていますが、ごもっともということが書いてある場合もあれば、
自信に満ちた書きっぷりの割りには、首を傾げる回答もあるので、注意が必要です。

一部の回答者様、ごめんなさい。たぶん善意の回答なのだけれど、やっぱり首を傾げる回答もあります。
それとも僕の勉強不足のためでしょうか。間違っていればご教授下さい。

> 鉄などの金属だと... いくつかは金属の中を自由に動ける状態となって...
> それでも原子同士を結び付けている電子などは原子核がしっかり保持していて、

たぶん内殻電子のことを言っているのだと思うが、普通は内殻電子は原子同士の結合には
寄与しないのでは？　金属原子同士を引き付け合うのは、自由電子です。（金属結合）

> 非金属であれば、原子の周りに電子があり、全体で電気的に中性になっています。

今の場合、表面の話を言っているので、“電気的中性”は微妙。

例えば、非金属の例である、イオン結晶や化合物半導体を考えましょう。
話を単純にして、＋原子、－原子、＋原子．．．と積層するとします。
表面があるということは、例えば－原子が積層したところで、成長がとまることです。
するとこの場合は、表面は－原子だらけで、電気的中性どころでない。

自然はそこからなんとか電気的中性を試みるわけですけれど。

回答No.6

kamobedanjoh

置かれているだけの状態では、浮力は働いていませんから、
「浮いている」とは云えません。
浮力を生じるためには、鉄板側での体積一定下での変形が必要です。
単に慣性の法則に従って、動かないで居るだけです。
電磁気力等が働いていれば電磁気的結合が生まれ、原子レベルでの変化を生じます。
異金属の接触面でも同様です。

回答No.4

tetsumyi

置いた状態では、浮いていると言えます。
原子は電子雲の中に原子核が隠れた状態で、原子核が接触することは通常の状態ではありません。
電子は強いマイナス電気を持ちますから、表面が電子で覆われた金属や他の金属表面は反発して普通の力で押してもくっつきません。

電気を流そうとすると、原子レベルで電子雲に直接作用して、反発力に打ち勝って電気が流れます。
強い電気を流すとくっつきます。
また、とんでもない力で押し付けるとくっつきます。
熱を加えて溶けた状態では、原子レベルの運動エネルギーが電子雲の反発に勝ってくっつきます。

回答No.3

teppou

金属表面は、酸化しています。空気中では磨いてもたちまち酸化して、酸化膜が一層できているようです。
　金属に限らず物質表面を研磨などすることは、原子・分子の結合を引き離すことですので、その表面は結合しやすい状態になっていますので、たちまち酸化すると考えられています。
　理想的な平面に加工できたとしても、接触させておくだけで一体になることはないようです。

　金属の種類によると、高度な真空中で表面の酸素をはぎ取ると一体化させることができ、そういう研究をしている研究者もいます。

　金属以外の物質については知りません。

回答No.2

trytobe

あまりに密着できるようにすると、原子間力でひきつけあって、接着したようになります。

原子核の周囲には電子が回っていますから、ある程度の距離をおいて、鉄原子が結晶格子を作っており、それに並ぼうと乗せた立方体のほうの鉄原子も並ぼうとします（が、ピッタリは合わないので、結晶格子が歪んだ「欠陥」を生じるでしょう）

鉄以外の場合は、結晶格子がそもそも元素や化合物ごとに違いますので、原子間力でひきつけあって接着したようになるものの、結晶格子が揃おうにもてんでばらばらになるでしょう。

イメージとしては、２枚のガラス板の間に水が入って、接着されたかのようになる、あの現象です。

回答No.1

over_the_galaxy

原子間引力でくっつきます。
昔テレビで見たことがあります。