理系の雑学・豆知識

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量子論による電気の理解

 これまでの古典電気磁気学(マクスウェルの方程式によって、電気・磁気学の基本法則が全てそろった)から、さらに進んで電子と電磁波の本質的な理解を深めることになったのが、量子論です。

 JJトムソンによる電子の発見はこれ以上分割できない基本的な粒子と考えられていた原子を物質の最小基本粒子と見なしてきた原子理論に終止符を打ちました。
ラザフォードによって原子核が発見されると原子核の周りを電子が回っているという原子のイメージが確立し、陽子が発見されると原子はなぜつぶれないのかといった疑問が出てきました。

 これは、円運動する電子(電荷を持っている)は従来の考え方からすると、電磁波を発して、エネルギーを放出するから次第に減速して、原子核に吸収されるはず。
 二つ目は、原子核の非常に狭いところに陽子が集まっているということは、正電荷による反発力が非常に大きくなるのに、それをつなぎとめているのは何か,というものでした。

 19世紀にはすでにその存在が知られていた各種の原子を加熱すると特異な光を出すスペクトル線のことやプランクの黒体放射の実験から電子には質量と電荷という本質的な性質にスピンという不思議な性質があることがわかってきて量子という考え方が出てきました。

 ド・ブロイは電子や原子は本来粒子であるが、逆に波動であってもよいとする物質波の概念を提唱し、それを受けて、シュレジンガーは波動方程式を発表し、その解は水素原子の光スペクトル線にかんする現象と正確に一致しました。

 このことは電子が回転していても電磁波を放出さないことが示され、原子が潰れない理由が理論的に示されました。

 さらに、デラックはシュレジンガーの波動方程式を相対性理論の4次元化することによって、反粒子の存在を予測し、その後、陽電子(電荷の符号だけが負である)、反陽子(電荷の符号だけが負である)が確認され量子力学が確立しました。

 二つ目の答は湯川博士の中間子理論です。

 力は粒子を交換することによって生ずることがわかってきて、湯川はその考えを原子核に適用して、中間子という粒子を仮定し、その力の到達距離(粒子の移動距離)が原子核の大きさ程度とすれば、その質量は電子の300倍、陽子や中性子の6分の1程度であると推定し、後にその粒子が確認され、素粒子論の発展に大きく貢献しました。

 これは、原子核を小さな領域に閉じ込める力の存在を証明したことになりました。

 現在では、陽子や中性子は、もっと基本的な粒子であるクォークからできた複合粒子であることが分かってきて、物質の素粒子は、クォーク、電子、ニュートリノ、ミューオン、レプトン等であることが知られています。

パウリの排他律について解説

パウリの排他律(パウリのはいたりつ Pauli exclusion principle) 1925年にパウリ(Wolfgang Pauli)が提案したパウリの排他律とは、「電子には量子状態(Quantum states)を決める 4 つの量子数があり、原子の電子軌道には同じ量子状態のものが2つ入ることが…

原子中の電子の角運動量(Angular Momentum)について解説

電流がループ状に流れると磁気モーメントが発生します。そしてこの磁気モーメントがを持った電流ループが磁界中にあるときに受けるトルクは磁界と磁気モーメントの積に比例します。 原子モデルで考えると電子は原子核の周りを回転していると考えることができ…

原子構造のボーアモデル(Bohr Model)について解説

1900年にプランク(Max Planck)は黒体放射(Black body radiation)の方程式を作りました。 この式に使用されているプランク定数(Planck's constant)の物理的な解釈は当初理解されていませんでしたが、後にナトリュウム原子に光を当てるとそこから電子が…

ゼーマン効果(Zeeman effect)について解説

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プランクの実験(プランク定数・プランクの量子化説)について解説

ある金属(原子)を高温の炎の中で熱すると独特の色をした光を出していることが知られていました。 その 光の波長毎(分光)の強さを観測するとある幾つかの波長のところだけに強い輝きがあって、その他では光の輝きが無いことがわかっていました。プリズム…

光のスペクトラムについて解説

光をプリズムあるいは回析格子に当てると光が虹のように広がることは古くから知られていました。そして光が電磁波の一種であることか解ってくると、発光や光の吸収をその波長に応じて展開したものをスペクトル(spectrum)と呼び、その研究が盛んになって、…

ベクトルについて解説

例えばA地点からB地点に歩いていく(青)のと飛行機で飛(緑)んでいくのと光が飛んで行く(黒)のではそれぞけの経路が異なるのですが、A地点からB地点までの距離は歩こうが、飛ぼうが、光で飛ぼうが変わらない(速度のことは考慮しない)ですから、ここで…

角運動量(Spin angular momentum)について解説

運動の力学(量子力学を理解するために物理の復習をします) 回転を扱うときの物理量としてはモーメントが使用されます。モーメントとは数学用語で、方向を持った量(ベクトル)を互いに掛け合わせた物でその積も方向を持っています。長さが(r) の棒の一…

電子のスピンについて解説

従来から、ある原子を高温にすると光を出しますが、その光は独特の色をしていることが知られており、光の波長毎の強さを観測(分光)するとある幾つかの波長のところだけが強い輝きを持っていて、その他ではほとんど光の輝きが無いことがわかっていました。…

交換力・4つの力 (重力、電磁力、強い力、弱い力)について解説

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原子モデルの歴史

古代の原子論 古代ギリシア、エレア派のレウキッポス、デモクリトスによって原子は物質を構成する最小単位であるという考えをしていたが、アリストテレスにその存在を否定されて長い間忘れられてきました。 錬金術(れんきんじゅつalchemy) アレクサンドリ…