水素スペクトラムとエネルギー

はじめに 今も水素と言うと物理学の基礎理論としてその放射スペクトラムの解説記事が思い出される。平成4年頃から、物理学理論とはどんな事が対象になっているかを学ばせてもらった。その教科書が古本屋で3100円で購入した、CONCEPTS OF MODERN PHYSICS FOURTH EDITION ,  Arthur Beiser , McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITION であった。実によく纏められたいて、筆者のような初学者が現代物理学の内容を把握するには貴重な教科書と思う。その解説で水素スペクトラムを知った。所謂量子力学の基本的な意味が述べられていると思う。水素原子の電子は何層にもなっている周回軌道レベル間を跳躍する現象としてエネルギー吸収と放射の関係を担っていて、その関係をある理論式で解釈するとなっている。水素原子がエネルギーを吸収して軌道電子の半径が26Åにもなる結果になる事を理解できずに、疑問のまま過ぎた。原子の寸法とは何だ?電離エネルギーが13.6eVと言う数値も頭に残っている。思い出せば、微細構造定数と言う意味もその次元などで疑問に思った。今『エネルギー』の意味を考えると、物理学理論の基本概念に懐いた疑問に自身が困惑している。ここでは、高校生や大学学部学生などの初学者が知る程度の知識で、少し広い科学技術に関わって来た感覚から観た物理学理論の基礎事項に対して、取り払えずに来た疑問を基にその理論の意味を考えて見ようと思う。

電子周回軌道とエネルギー 原子構造論の基本は水素原子が最も単純の構造で、核の一つの陽子とその外側を周回運動する一つの電子から成り立っていると言う事で理解している。すべて構造の決め手は核のプラス電荷とその周りを周回するマイナス電荷の電子と言う電荷に因る釣り合いが原則に成っている。電荷と質量を備えたレプトンが原子構造論の基礎概念として必要とされている。原子構造論の教科書の解説は原子核の周りを周回運動する電子によって原子構造が構成されるようになっている。電子は太陽系のように平面上に分布するのか、球表面に分布するのか不明だ。少し極端な原子であるかも知れないが、核分裂原子のウラン235などを例にすれば、92個の周回電子が廻っているように解釈されているようだ。92個の電子が核の外側を本当に周回運動しているとは信じられないのだ。その原子構造を決める理論が核の92個の陽子と周回運動する92個の負の電子との電気力のクーロン力が決め手になっている等とても乏しい想像力では理解できないのだ。何でそんな複雑な原子構造論が必要なのだろうか。『電荷』否定の視点からは、学術理論の常識世界がとても理解できない処を彷徨わざるを得ない。いずれにしろ、電子が静止ではなく回転している描像で捉えている。その理由としては回転の運動速度に基づく電子質量の運動エネルギーの増減と電荷間のクーロン力の位置エネルギーの増減と言う概念が必要であるからと考えたい。質量を必要としないエネルギーは物理学理論には無いようだから。ただ光のエネルギーは質量を考慮しないで済むようだ。原子の保有するエネルギー量は、核の保有するエネルギー(核のエネルギーと言ってもそれがどんなエネルギーと考えれば良いかが分かる訳でもない。核の質量は光速度でエネルギーに換算できよう。更に陽子の電荷の集合体としての合体に要する仕事のエネルギーをどのように換算するかも理解困難である。外殻電子は運動するが、陽子は静止状態であるとも限らないから、その辺のエネルギー評価は不明であると思う。 2018/01/04 追記)に対して、質量を持つ電子が外殻軌道を周回運動する事によって保有する運動エネルギー並びに位置エネルギーの総和として原子の全保有エネルギー量と解釈しているのだろうと理解している。外殻周回電子の運動エネルギーと核の電荷とのクーロン力との関係で基本的に解釈していると考える。原子に光などのエネルギーを照射すると、そのエネルギーを吸収するのは原子核ではなく、外殻軌道上の電子であると成っているようだ。回転運動の電子が光エネルギーを吸収すると言う現象は電子質量に働き、光の光子の衝突による力を加えてより外殻軌道に叩き出されて、光のエネルギーの分を電子が吸収するような描像で解釈しているように思う。その時光のエネルギーと言う光子(その描像が明確ではない)はどのような機構で消滅してしまうのかは明確にされてはいないように理解している。光は自由に質量の運動エネルギーとの間を行き来する変換現象として解釈しているようだ。その光のエネルギーは振動数で認識している訳だから、電子を軌道の位置を変換させるにはどれ程の周波数分(波長分)が使われるかも明確には示されていない。と言うより光の光子一粒と言う概念が不明確なのだ。ある振動数の光子が多数であっても、一つであっても同じエネルギーの働きをするという意味なのかどうかも不明確である。光子一つが電子一つに作用するとも明確にされていない。光子一つが何か振動した量子のようにも思えるが、量子力学では統計処理の解釈で、エネルギー量と言う総量は全く意に介していない論法に思えて、技術感覚には納得できない世界である。振動数に因る光のエネルギー解釈には曖昧さが多過ぎるように思う。光子の電子への衝撃力を考えているなら、衝突瞬時の衝撃力が問題になる筈で、何サイクルもの振動数の時間を掛けてのエネルギー変換現象は分かり難い解釈に思える。光子の振動数が電子にエネルギーを付与して、自身の光子は消えることになる意味に思える。光子が電子一つに作用するなら、同じ振動数の光子が多ければエネルギー量は多い筈だから、多くの電子のエネルギーに変換される筈だがその辺のエネルギー総量は殆ど問題にはされないのが不可解で。その電子の増加した運動エネルギーあるいは位置エネルギーが何らかの原因により、電子の軌道が低レベルに落ち込む時、その吸収したエネルギーを吸収時と同じ振動数の光の光子に変換して放射すると言う意味で理解している。この放射現象でもやはり電子の数量で光の量は変わる筈だが、光子一つと電子一つが対応していると解釈すべきなのだろうか。この解釈で、水素の放射スペクトラムが理論式通りに成っているのだとすれば、とても筆者が理解するレベルの話でなく全くの脱帽だ。水素原子のスペクトラムを理解しようとしても、電子一つの運動エネルギーと光子一つの振動数解釈のエネルギーとの間に、抽象的理解力の無い筆者のような者には空間的具象像をどのように描けば良いかで困惑してしまう。電子の運動エネルギーが低い軌道に落ちると本当に光のエネルギーに変換するのだろうかと信じられないのだ。光はそんな風に生まれるものなのだろうか。電子が全ての光を生み出す理屈になっていないか。電子に過剰な責務を負わせ過ぎる。電子が過労死するかと落語じゃないが心配だ。

分子結合と電子周回運動の空間構造の妙技はあり得るか 水素の結合で有り触れた水分子を考えてみよう。それぞれ水素原子の周回運動する電子と酸素原子の外殻電子周回運動描像との関係を、その原子同士がどのような電子運動の空間構造で分子結合を捉えれば良いかが理解できない。極めて素人の空間的構造認識からの疑問である。周回運動が分子結合時は静止する訳ではないだろうと思う。分子が眼を回して仕舞わないかと取り越し苦労であるかも知れないが、とても大きな疑問なのである。より複雑な高分子になれば尚更である。周回電子運動論への疑問。この結合に関しては別の記事で考えたい。

水素原子スペクトラムに観る夢 原子にはそれぞれ特有な光放射スペクトラムがあると理解している。なかでも水素は原子構造が単純であるが故に、一般的な原子のスペクトラム特性の発生原理を理解するに基本になると言う意味で、物理学の基礎的原理として取り上げられているのだろうと思う。水素スペクトラムは気体の温度、圧力などの変数としての影響はどのようなのかが明らかになっているだろうか。どんな条件でも同じスペクトラムになるとは信じられないのだが。条件は水素原子のエネルギー環境を支配する筈だから、当然スペクトラムの分布も変わるだろうと思われる。その関係も電子の周回軌道の計算式に適合すると言うのだろうか。たとえ単純な構造の水素であろうと、電子外殻周回運動速度で光放射スペクトラムが決まっているとは信じられない。原子の空間環境条件・エネルギー密度環境(温度、圧力など)で変わるだろうと思う。電子(電荷と質量)の外殻運動速度で決まると言うより、環境条件が支配する世界と思う。その辺を解明する若い方の夢に期待したい。『電荷』を否定する視点で!

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