物質の温度と原子核の振動

質問

物質の温度が上がると、原子核の振動数が上がるのですか、それとも振幅が大きくなるのですか。中学の理科で失礼しております。

回答No.3

sonic67（@soni6667） · ベストアンサー

結論を先に書くと、温度上昇は原子核の振動と関係ないので、振動数(周波数)も振幅も関係ありません。

質問の内容が少なすぎるので、原子核にだけ限って回答します。

気体も液体も個体も温度が上がると、原子核の運動エネルギーが増えます。
運動エネルギーは中学で習わないので説明すると、物体が飛んでいるときに持っているエネルギーです。
例えば野球のボールが速いほど、その威力が強いということだと思ってください。

原子核は温度が高いほど速く飛びます。

気体ではすき間が大きいので原子(核)(または分子)同士はあまり衝突しません。分子がたくさんのボールのように乱れ飛んでいるのを想像してみてください。もちろん壁に当たればはね返ります。分子同士もしょっちゅう衝突していますが、これは液体ほどではないということです。電子は陽子と中性子に比べて非常に軽いので、分子の重さは原子核の重さだと考えてください。分子のもつ運動エネルギーの総和が熱エネルギーであり、熱エネルギーが多いほど熱いのです。

液体では隣の分子同士は接近していますが、ぐるぐると動き回っていると想像してください。(これはあまりいいたとえではないのですが...)
真っ直ぐ飛ばないのは分子同士が引っ張り合っているからです。いやほぼまっすぐ飛んでいるけれど、分子度同士の引き合う力で真っ直ぐにはならないと言った方がいいでしょうか。特に水面では表面張力が働き、水分子が飛び出せません。いやそれも間違いで、少しずつ飛び出すのが蒸発です。

個体では非金属では分子の位置が変わることがなく、金属は分子になっていないけれど原子核が原子の外に出ることはありません。つまりどちらでも原子核の位置は同じところにあります。しかしそれでも原子核は飛んでいます。液体よりも強い結合のため飛んでも原子の中から出られないで向きを変えるのです。ガラスの箱にボールをいっぱい入れてゆすったら、ボールは少し動くけれど位置が変わらないのを想像してみてください。非金属でも金属でも原子核が原子から出て行けないのは、周りの電子に囲われていることと、原子核同士がプラスの電気で総突する前に反発しあうからです。

実は「原子核は温度が高いほど速く飛びます」は真っ赤なうそです。
本当のことは大学で量子力学を勉強しないとわかりません。

熊本に工場を建設している、台湾の会社tsmcが作っている半導体は、上記の個体の性質を理解しないとわかりません。

お礼

物質三態の解説をありがとうございます。固体では原子核が振動する、液体では衝突する、気体では飛び交う、のイメージですね。固有振動数を持つのは固体のみ、水晶時計も固体が振動している訳ですね。原子核は重いから運動エネルギーで考える、広い視野での解説に感謝いたします。

回答No.2

maskoto

まず、原子核ではなく
原子や分子という単位での話しになります
で、物質の状態にもよります
液体や気体では、それを構成する原子、分子が(ある程度)自由に動き回り、その乱雑な運動エネルギーの大きさが温度の高低に影響してきます

次に振動のエネルギーについて
最もシンプルな振動では、
振動のエネルギーは、振幅の２乗と振動数の２乗に比例します
なので、振動のエネルギーが増えたなら
それは、振幅、振動数のいづれかまたは両方が増えたと言う事になります
しかし、原子や分子には固有振動数があるので、振幅が大きくなって振動エネルギーが上昇したと考えるのが自然です
つまり、個体の時には原子、分子の振幅が大きくなることにより温度上昇が起きると言えます
(液体、気体では、温度が上がれば
振動の振幅アップ+運動量アップ)
〜以上参考まで〜

回答No.1

nenosuke

振幅が大きくなります