2009年07月25日

強い力〜ヘリウム原子の矛盾〜

今日はヘリウム原子に着目して、高校までの物理では説明できない「強い力」について解説をしよう。


42helium.jpg
↑が通常の(電子、陽子、中性子をそれぞれ2つ持つ)ヘリウム原子である。ヘリウム原子は希ガスに属するので、単原子のまま常温で安定な気体である。空気より軽く、水素と違って火をつけても爆発しないので、よく風船への注入気体として使われるよね。

さて、上記のヘリウムの原子モデルを見て欲しい。ヘリウムは、本当にこの姿で安定な状態を保てるのだろうか?


まず、電子について見てみよう。電子は、負電荷を持つ粒子なので、正電荷を持つ陽子とはお互い電気的引力※1が働く。ただし、電子は原子核を周回しているため、その遠心力と電気的引力がつりあっているので、安定的に原子核を周回していると考えられる※2。
※1:電荷を持つ物質間に働く力で、正電荷同士or負電荷同士なら斥力、正電荷と負電荷であれば引力が働く。電荷量が大きく、2電荷間の距離が短いほど大きな力が発生する。
※2:正確に書くと、電子は↑の画像のように平面的に原子核を周回しているわけでなく、立体的に周回している。
次に、中性子について見てみよう。中性子は電気的には中性の粒子なので、陽子や電子からは電気的な力を受けない。ただし、質量を持つ粒子間に働く万有引力※3のために、陽子と中性子の間には引力が働くわけだ※4。ただし、陽子と中性子の質量と距離を基に万有引力の大きさを計算すると、そこまで大きな引力が発生しているわけでも無さそうなので、果たして「安定的に中性子が原子核中に収まるのか?」と言われると疑問なのだが、とりあえず中性子には原子核よりも外に行こうとする力が働いているわけではないので、原子核内に留まることを認めざるを得ない。
※3:質量を持つ物質同士に働く引力で、質量が重く距離が短いほど大きな引力が発生する。
※4:電子と中性子間にも万有引力は働くのだけど、距離が遠すぎるのと、電子の質量が中性子や陽子に対して軽すぎるのでほぼ無視してよい。
最後に陽子を見てみよう。実は高校までの知識だと、原子核内に収まる陽子の安定性はまったく説明できない。何故なら、原子核内に陽子が2つ存在しているわけで、正電荷を持つ2つの粒子が極めて狭い空間に閉じ込められていることになる。よって、万有引力による引力の大きさ以上に、この2つの陽子は大きな電気的斥力が働くわけだ。さらに電子からも電気的引力を受けるわけで、2つの陽子は原子核を突き破って外に行かないとおかしいわけですよ。

という事で、陽子が原子核内で安定的に存在できるためには、万有引力と電気的引力(斥力)の他に、何かまったく種類の違う力で陽子と中性子を結びつけていないと、説明がつかないわけですよ。実はそれが「強い力」であるんだけど、「強い力」は万有引力や電磁気力とは違って、力の到達距離が非常に短く、原子レベルの小さい世界でしかあらわれないために、俺達の普段の生活ではまったく実感できないんだよね。

とりあえず今日は、この辺までにしておきますが、この「強い力」を探る上で非常に大事な「素粒子」の世界と、万有引力や電磁気力の力の発生メカニズム等々、これも不定期シリーズで書いていく事になるでしょう。


いやぁ、この手の研究を毎日やれる「高エネルギー加速器研究機構」とかの研究員は凄い羨ましいよなぁ……。




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posted by きらっち at 21:53| Comment(5) | TrackBack(0) | 科学
この記事へのコメント
マイナスの電子は原子核の周りを廻っているのではなく、原子核の廻りに雲のように波動をもって一定の確率で存在している、と言うように40年前に学びました。シュレーディンガーの理論だったかな。
ニュートン力学とはチョッと違う世界です。
Posted by ゆきちゃん at 2009年07月26日 09:18
>ゆきちゃんさん
そうそう、シュレーディンガーの波動方程式。大学1年生の時に、あの忌まわしい式を見ただけで嫌な記憶が蘇ります……。
ハイゼンベルグの不確定原理もそうですが、ニュートン力学しか知らない自分には衝撃が走りましたよ。
Posted by きらっち at 2009年07月26日 09:36
高校の時に物理と化学を選択した者です。確かに言われてみると、ヘリウム原子がこの原子モデルで安定的に存在できるはずないですね。
このブログ、いろいろな意味で勉強になります。
Posted by 現役大学生 at 2009年07月26日 21:22
>現役大学生さん
どうもありがとうございます。少なくとも「科学」カテゴリのエントリーは、俺の大学生時代に学んだ話がほとんどなので、当時の授業ノートを引っ張り出して、自分の復習を兼ねて書いてますよ。
Posted by きらっち at 2009年07月28日 00:13
中三です。新書読んで考察かけという宿題で本の選択ミスって非常に大変です、、
とてもていねいに書かれているおかげで、何とか理解できました。
ようは強い力がないと水素以外の原子核が崩壊するということでよいのでしょうか。
Posted by うんたん at 2011年08月01日 22:35
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