低温超電導とローレンツ力

質問

マイスナー効果により、磁束は低温超電導体を通過できないみたいです。逆に常温では磁束が通過していて、ローレンツ力が荷電粒子に働いていますか。常温ではローレンツ力で陽子が振動し電子が周回するので、自由電子が妨害を受け直進できずジグザグ行進、電気抵抗が生じてしまうのですか。

マイスナー効果他、意味が珍紛漢紛で済みません。

回答No.3

QCD2001 · ベストアンサー

いろいろな勘違いと根拠のない思い込みが多々あるようですね。
ところで質問者さんの他の質問で、他の回答者様から「周回電子」という用語は正しくないので使うべきではない、という趣旨のコメントがありました。私も「周回電子」という用語は聞いたことがないので違和感を感じていたので、調べてみたところ、「軌道電子」と呼ぶのが正しいようです。
サイクロトロンやシンクロトロンといった実験装置の中では、磁場によるローレンツ力で電子や陽子などの荷電粒子がぐるぐると周回運動をしながら加速されてゆきます。周回運動をしている電子ですから、周回電子と呼んでもよさそうですね。家庭用の電子レンジではマイクロ波により食品を加熱しますが、このマイクロ波を発生させるために、マグネトロンという真空管の一種を使用しています。マグネトロンの中には磁石が入っていて、磁石の磁場の中を電子がぐるぐると周回運動をしながらマイクロ波を発生します。マグネトロンの中の電子も周回運動をしているので、周回電子と呼んでもよさそうですね。
ですから、用語は正しく使いましょう。間違った用語を使うと相手に間違って伝わるかもしれません。軌道電子が正しい用語です。

＞１．絶対零度では周回電子が落ち込んで

根本的に間違っています。軌道電子の回転速度と温度とは全く無関係です。絶対零度になってっも軌道電子は常温と同じスピードで原子核の周囲を回っています。といってもこれは古典論的なモデルであって、量子論的には正しくないことを申し添えておきます。温度というのは分子や原子の運動であって、原子の内部の電子の運動とは関係ありません。

＞２．日光と地熱から・・・

自然界に存在する光のほとんどは、波の位相がそろったコヒーレント光ではなく、位相がバラバラなインコヒーレント光です。ということはその電磁波の磁場の向きもバラバラです。例えば太陽が真上にあって、真上から光が来た場合、その光の中には磁場が東西方向に向いているもの、南北方向に向いているもの、斜めの南西と北東方向を向いているもの、北西と南東を向いているものなど多種多様な方向のものが含まれています。さらに、磁場が東西方向を向いた光の中には、ある瞬間に磁場が東から西へ向いたものと同じ時刻に磁場が西から東へ向いたものが含まれます。さらに位相もバラバラなので、波一つの時間の1／4だけ遅れた時刻に西から東へ向くもの、波一つの時間の1/3だけ遅れた時刻に西から東へ向く磁場、2/5遅れた時刻に西から東へ向く磁場、等々たくさんの位相がずれた波が乱雑に入り乱れて到達します。これらのバラバラな磁場から受けるローレンツ力の合力は、打ち消し合ってゼロになってしまいます。
ですから、「周囲からの電磁波」というのが土台無理な話なのです。

＞３．ガンマ線を照射すれば高温に

超電導が発見されたころ、それがどのようなメカニズムによるものかを調べるためにいろいろな実験が行われました。γ線を当てて原子の様子を調べることも行われましたが、過剰に強いガンマ線ならともかく、弱いガンマ線で超電導は破れませんでした。

＞４．可視光より低周波の電磁波が、原子から主に放出されて

電磁波が原子から放射されるとする根拠は何ですか？そのような実験データを見たことがありません。電磁波が放射されるのであるなら、そのエネルギー源は何でしょうか？電磁波というエネルギーが原子の外へ出てゆくためには、そのエネルギーがどこからか補給されなければなりません。

＞５．近隣の原子の周回電子が

近隣の原子とはどこにいる原子でしょうか？上ですか？下ですか？右ですか？左ですか？右上前方？左下後方？・・・
周り中に原子がいます。そしてこれらの原子の軌道電子はそれぞれ互いに無関係に運動しています。ですから、クーロン力が働いても、無秩序に働くので、その合力は互いに打ち消し合ってゼロになります。

＞６．・・・周回電子の遠心力を作り出す運動エネルギーの源

もしかして慣性の法則をご存じないのですか？物体は外部から力が加わらなければ等速直線運動をします。大谷選手がホームランを打った時、ボールがバットから離れた瞬間に地面に落ちたりしません。バックスタンドへ向かって飛んでゆきます。これは誰かあるいは何かがボールに力を加えて押しているからではありませんよね。バットから力を受けて飛び始め、あとは慣性で飛び続けているだけです。
これと同じで電子も慣性で等速直線運動をしようとしますが、これを原子核のプラスの電荷が引き寄せるため、運動方向を変えられて、その結果原子核の周りを周回運動するようになるのです。どこかからエネルギーを補給されているわけではありません。あたかも「原子核のプラスの電荷からのクーロン力に逆らって等速直線運動をしようとしている」かのように見えるので、これを便宜的に遠心力と呼んでいるだけです。

お礼

周回電子ではなく軌道電子なのですね。十代の頃の授業をすっかり忘れていて済みません。ありがとうございます。

人体の原子から遠赤外線が発生しているので、他の原子も絶対零度でない限りは幾らか低周波の電磁波を放出しているような…。Ｋ軌道電子がＬ軌道電子に励起する時、電子はより大きな遠心力を得るために加速される必要があるように思えるのですが、いかがでしょうか。思い込み違いが多くて、大変お手数をお掛けしております。

回答No.2

QCD2001

何でもかんでもローレンツ力にこじつけるのはやめにしましょう。

＞絶対零度でなければ、周囲の原子からの電磁波でローレンツ力が働き、

①ローレンツ力は温度とは無関係ですから、磁場中で電荷が運動すればローレンツ力は働きます。従って「絶対零度でなければ」ローレンツ力が働く、というのは間違いです。
②また、周囲の原子が電磁波を放出するためには、γ線などの電磁波により周囲の原子にエネルギーが与えられなければなりません。電磁波により電気抵抗が生じるのであるなら。真っ暗闇にすれば低温でなくても超電導になってしまいます。従って、周囲の原子からの電磁波で電気抵抗が生じるとするのは間違いです。
⓷また、超電導の状態にγ線を照射すると超電導でなくならなければなりませんが、そのようなことはありません。
④電磁波は電場と磁場の振動ですから、その磁場は交互に逆向きに生じています。従って、この磁場によるローレンツ力も交互に逆方向に生じますから、例えば可視光線の電磁場によるローレンツ力は500兆分の1秒ごとに逆方向に向くことになります。その程度の超短時間で生じるような現象ならともかく、普通の現象の場合は交互に逆方向を向く力が打ち消し合ってしまい、影響を及ぼすことができません。従って、電磁波でのローレンツ力・・・というのが根本的に間違いです。ローレンツ力で内殻を飛び出しそうにはなりません。

＞外殻の周回電子からのクーロン斥力で

電子はある軌道上をぐるぐると回っています。このとき、軌道の内側にいる電子が外殻の電子からどんな力を受けるのか計算します。外殻の電子はぐるぐる回っていますから、原子核の向こう側にいるときに受ける力、原子核のこちら側にいるときに受ける力、原子核の横っちょにいるときに受ける力、これらをすべて計算して合計すると、ゼロになります。つまり、外殻電子から内殻電子が受けるクーロン力の合計は、力を受けていないのと同じことになります。つまり、内殻の電子は外殻の電子からクーロン斥力を受けていないのと同じことになります。従って「内殻に押し戻される」というのは間違いです。

＞外殻電子もローレンツ力で外殻を飛び出しそうに

④に記載したように、電磁波によるローレンツ力は結局働いていないのと同じことになりますから、「ローレンツ力により飛び出しそうになる」ようなことはありません。

＞近隣の原子の外殻電子からのクーロン斥力

近隣の原子の外殻電子から受ける力を計算すると、近隣の外殻電子が原子核のこちら側にいるときと、向こう側にいるとき、横っちょにいるときをそれぞれ計算して合計すると、その電子が原子核と同じ位置にいるときに発生するクーロン力と同じ大きさ同じ方向の力を受けることになります。
つまり、隣にいるのが水素原子であった場合、その周囲を回転する電子から受ける力は、その電子が原子核の位置にいるときに受ける力と同じになるわけです。とすると、原子核のプラスと電子のプラスとが打ち消し合うので、電子から受ける力はゼロになります。
隣にいる原子が鉄であった場合には、その周囲の電子から受ける力は、原子核の周りの26個の電子が原子核と同じ位置にいるときと同じ大きさ同じ方向になるので、原子核の用紙の26個の陽子のプラス電荷と打ち消し合って、ゼロになります。ですから、近隣の原子の外殻電子からのクーロン力はゼロになってしまいます。
従って、「隣の原子からのクーロン力で押し戻される」というのは間違いです。

補足

言葉足らずなので、恐縮ながら幾らか補足させていただきます。
１．絶対零度では周回電子が落ち込んで原子核の陽子とくっつき、電荷がプラスマイナスゼロになって、ローレンツ力は発生しないのでは…。
２．日光と地熱から、地球内外の全ての原子が昼も夜も低周波の電磁波エネルギーを受け取っているような…。
３．ガンマ線を照射すれば高温になって超電導ではなくなるような…。
４．可視光より低周波の電磁波が、原子から主に放出されているような…。
５．近隣の原子の周回電子が近づけばクーロン斥力は強まり、遠ざかれば弱まるので、周囲の原子からのクーロン斥力の強さと方向は絶えず変化しているような…。
６．仮にローレンツ力が働いていなければ、最内殻K殻マイナス電荷の電子がプラス電荷の陽子が多い原子核に強力なクーロン引力で落ち込まない理由が見つからないような...。遠心力がクーロン引力と釣り合っているのであれば、周回電子の遠心力を作り出す運動エネルギーの源は？

回答No.1

QCD2001

日本語として意味不明

＞マイスナー効果・・・

超伝導体には外部からの磁束が通過できないことが記載されている。

＞逆に常温では・・・

常温では外部からの磁束が通過できることが記載されている。

＞ローレンツ力が荷電粒子に・・・

荷電粒子が動いていれば、外部からの磁束によりローレンツ力は当然に働く。
ここまでの文章から、以下の質問は、外部から磁場を加えたときの挙動についてであると判断される。

＞ローレンツ力で陽子が振動・・・

振動するようなローレンツ力の発生原因の記載がないのに、ローレンツ力が陽子を振動させると記載されている。振動するような磁場をどこから発生させて、陽子をどこからどの方向へ運動させているかの記載がないので、振動していると判断すべきデータがない。
どのような外部磁場によるローレンツ力が陽子をどのように振動させると考えているのか記載が必要。

また、この文章によると、ローレンツ力が原因となって陽子の周囲を電子が周回しているという意味に解されるが、外部からのローレンツ力が電子に円運動をさせるように力を変化させているとの記載がない。外部からのローレンツ力をどのように変化させる予定であるのか、記載してください。この記載がないと判断不可能。

＞周回するので、自由電子が妨害を受け・・・

ローレンツ力で電子が円運動をしている部分に自由電子が来れば、その自由電子にも当然円運動をさせるようなローレンツ力が働き、円運動をすることになる。

結局のところ、質問者さんがどんな前提でこの質問をしているのか不明なので回答できない。前提を明確にしてください。

お礼

説明不足で申し訳ありません。絶対零度でなければ、周囲の原子からの電磁波でローレンツ力が働き、内殻の周回電子は直線運動して内殻を飛び出しそうになりますが、外殻の周回電子からのクーロン斥力で内殻に押し戻されるのではないか、このローレンツ力とクーロン斥力の繰り返しにより、内殻電子は波状にサインカーブを描きながら原子核を周回しているのでは？と想像しました。

外殻電子もローレンツ力で外殻を飛び出しそうになりますが、近隣の原子の外殻電子からのクーロン斥力で外殻を飛び出せず押し戻されるのではないか？やはりローレンツ力とクーロン斥力の繰り返しで波状のサインカーブを描きながら周回しているのでは？と想像しました。

原子核内の陽子は、サインカーブを描きながら周回するK殻周回電子２粒からのクーロン引力が主因で振動しているのでは？と想像しました。