温度が上昇すると金属が膨張する理由

質問

温度が上昇すると、電子の動きが激しくなり、原子核を周回する電子軌道の半径がわずかに大きくなるからですか。簡単過ぎる説明で失礼しております。

回答No.5

Tacochin · ベストアンサー

お礼ありがとうございます。
＃４へのお礼欄についての回答です。

>>「この世界にあるすべて物体は光を放射、反射、伝播している」と読むと、放射、反射、吸収の書き間違い？

書き間違いではありません。「吸収」は「反射」に含まれています。海や空が青く見えるのは青い光を反射し、その他の色の光を吸収しているからです。また、太陽の光や熱は地球へ「伝搬」し、我々人間はじめ、生物へ多大な恩恵を与えています。ですので、「光を伝搬している」という表現も間違ってはいません。

>>絶対零度では？

古典物理学では原子の振動が止まると論じられていましたが、量子力学では不確定性原理のため原子の振動が止まることはなく、エネルギーが最低の状態でも零点振動をしています。ヘリウムが絶対零度近傍でも固化しないのは零点振動が原因です。粒子の位置と運動量の両方を正確に把握できないのが不確定性原理です。また、エンタルピーが完全にゼロにはなりません。エンタルピーは物体の持つエネルギーです。光や電磁波の放射、反射、伝播も例外なく行われます。

>>専門家の文章ではないような…。

Wikipediaでは、専門家ではない一般人が執筆しているようです。しかし「管理者」と呼ばれる人（この人も一般人で、他のユーザーから信任された人）が厳正にチェックするらしいです。

そして、内容全てが正確であると100％判定できない場合は、以下のような文言が表示され、情報取得について注意を促すそうです。

・検証可能な出典が不足しています
・信頼できる情報源の提供に協力をお願いします
・要出典

数学や理科系・科学系のテーマについては、見た限り、上記の文言は表示されていません。従って、今回の「電磁スペクトラム」についても、これら注意喚起する文言が表示されておりませんので、間違った情報は含まれないと思いますが、いかがでしょうか？

Wikipediaは「不特定多数が書き込めるから信用できない」ではなく「不特定多数が書き込めるからブラッシュアップされて正確な情報となる」という考え方のようです。なので、他のサイトや専門書などと併用する分には問題ないと、私は考えております。

お礼

ウィキペディアも非常な有用なツールで、私も恩恵を受けていますから、時々は寄付しようと思っています。ウィキペディアは大勢が書き込みしてくれて、頻繁に改訂されて情報が最新なのが強み、回答者様の活用方法、他の文献と併用すれば最強ですね。

光を伝播するのは電磁波？電磁波を物体に含めるか？質量が無くても光子は素粒子の一つだから、やはり物体なのでしょう。

数十年後、数百年後の科学の教科書は、現在の教科書と内容が違いそうですよね。永遠に教科書は改訂され進歩し続けるので、だから学問は楽しい、一歩一歩遅れずに付いていこうと思います。ありがとうございます。

補足

零点振動ですか、新しい語彙をありがとうございます。絶対零度で粒子が振動すると、わずかに電磁波が放出され、絶対零度を保てるかどうか…。グーグルしてみようと思います。粒子の位置と運動量を正確に把握できないのが量子力学なのですね。

粒子に影響を与えている全ての力の大きさと向きをスパコンで計算できるようになれば、位置と運動量を正確に予測できるようになり、「神はサイコロを振らない」、確定性原理が証明されると思いますが、科学者の皆さんのご活躍次第、多分数十年後でしょう。

私は詳しくないのに私見を述べて、恥をかいている感じ、でも自分の評判はさほど重要でもありませんが。回答者様の深い知見をありがとうございます。

回答No.4

Tacochin

>>星の温度は星の色、電磁波スペクトラムで測定するので、
>>電磁波が熱であるという見方も両方正しいような気がします。

質問主さんは、これと混同しているのではないですか？
↓
「物体のスペクトル特性」
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E3%82%B9%E3%83%9A%E3%82%AF%E3%83%88%E3%83%AB#%E7%89%A9%E4%BD%93%E3%81%AE%E3%82%B9%E3%83%9A%E3%82%AF%E3%83%88%E3%83%AB%E7%89%B9%E6%80%A7

物体の組成によって発光する光の色が変わってくるだけです。電磁スペクトラムで温度別に色が変わるからと言って、電磁波＝熱ではないです。電磁スペクトラムは、その物体が発する電磁波の波長や周波数によって組成などを分析する指標です。熱そのものを示すものではありません。「電磁波が熱に変換される」というのは正しいです。しかし「電磁波は熱である」とは、上記のサイトのページに一言も書いていませんよね？

>>コロナの方が高温なのに太陽の方が熱量が高い、温度と熱は似て非なる概念な感じです興味深いです。

コロナは太陽の最も外側の部分です。おっしゃるとおり、内側の熱エネルギーが大きい部分より、なぜかコロナの方が高温です。理由は現在のところ解明されていません。「物理学の未解決問題」のひとつとされています。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6%E3%81%AE%E6%9C%AA%E8%A7%A3%E6%B1%BA%E5%95%8F%E9%A1%8C

ですが、それをそのまま当てはめて「温度と熱は似て非なる概念」にはならないです。太陽の場合は「物理学の未解決問題」であって、特殊な事例です。通常私たちが観測できる物理現象としては、「熱量が多ければ、温度も高くなる」です。

「温度」はあくまでも「温冷」の指標であって、「熱」はエネルギーの一種です。通常は熱エネルギー（熱量）に比例して温度も上昇します。似て非なる概念ではなく、関連する概念です。

>>陽子と内殻軌道電子との電界曲線は短距離なので高周波、
>>陽子と外殻軌道電子との電界曲線は中距離なので中周波、
>>陽子とお隣の原子の軌道電子や自由電子との電界曲線は長距離なので低周波
↑
これも、ご自身で勝手に想像した考え方ではないでしょうか？
どうしても、ミクロレベルでマクロ現象を考察したいのですか？
原子構成内で電界曲線を考えるのはやめませんか？

先ず、電磁波は電磁場が動的に変化していないと発生しません。変化する磁界中に置いた原子の集合体（導線）内で自由電子が加速した（電界が変化した）場合に電磁波が発生します。電荷や磁荷が静的な原子内でも、陽子と電子で引力，陽子同士で斥力，電子同士で斥力は働いています。しかし、核力や強い相互作用の方が圧倒的に強く、電気力は微弱です。そして、それぞれの粒子が安定的な配置で＋と－を打ち消し合っています。

>>だからいろいろな波長の電磁波が一つの原子から放出される、
>>という説明で正しそうですか。

正しくないですね。静的な電磁場での１個の原子からは放出されません。一つの一つの原子ではなく、原子の集合体である導線で考えてください。動的な電磁場中の導線で条件にあった電磁波が１つ発生します。条件とは周波数や波長など。

お礼

旧友がアマチュア無線をされていたので、太陽からのガンマ線、コロナからのエックス線、ロウソクからの可視光線、人体からの遠赤外線、アンテナからの電波等、全て電磁波が発生する原理は同一と考えて、電界曲線を必ず考える習慣を保つようにしてはいるのですが…。

ウィキペディアの文献は非常に分かりやすくて、私も頻繁に参照させてもらっているのですが、物体のスペクトル特性の項目で、「この世界にあるすべて物体は光を放射、反射、伝播している」と読むと、放射、反射、吸収の書き間違い？絶対零度では？この世界とは太陽系？宇宙全体？私より十倍か百倍は詳しいものの、専門家の文章ではないような…。

地域社会での責任もささやかに果たす必要がありますし、脳はカロリー消費が大きくて庶民の食費に響きますし、私の脳は効率が悪いし、減量する必要もありますが、物理は数十年後に理解できるよう、のんびり考えます。ご指導ありがとうございます。

回答No.3

Tacochin

＃２への補足についての回答です。

>>先ずは最外殻（鉄原子の場合はN殻）
>>の軌道電子がエネルギーを受け取るか
>>ローレンツ力が増すかで振動し、次いで
>>M殻L殻K殻の軌道電子、最後に原子核が
>>振動するという考えがありますよね。

そのような考え方はないです。前回の回答でも示したとおり、原子核の大きさでの話ではなく、原子または分子レベルの物理現象です。鉄などの金属は分子構造がないです。そのため「原子の振動」と言って正しいです。一方、水など多くの非金属物質は原子が複数集まって構成される「分子」単位で、まとまって振動しています。ローレンツ力は電子や陽子単位の大きさで考える力ではなく、導線全体にかかる力と解釈してください。電磁場中の導線全体に発生する力です。軌道電子もローレンツ力も金属の熱膨張には関係ない話です。

>>最も高周波で強力な電磁波は、陽子と最内殻Ｋ殻軌道電子との間の電界曲線で生じる

どこからの情報でしょうか？そのような話は聞いたことがありませんね。もし、引用元があるのなら教えてください。熱の発生は、通常、原子または分子スケールでの出来事です。電子や原子核スケールで説明する現象ではありません。

>>振動が温度で電磁波が熱と覚えれば良さそうですか。

違いますね。

１）分子（または原子）運動が熱の正体。
　　温度は分子（または原子）運動の激しさの
　　結果（温冷）を現す指標

分子（または原子）運動が熱であり、運動が激しくなれば温度上昇に至ります。振動に限りません（振動は固体のみ）。分子（または原子）運動のエネルギーが熱エネルギーの正体です。固体のままでも振動が大きくなれば、熱膨張するということです。

温度：低　　→　　高
　　　固体　液体　気体

・固体：
　分子（または原子）同士が規則正しく配置され振動する

・液体：
　分子（または原子）同士が衝突しながら流動的に運動する

・気体：
　分子（または原子）同士の衝突が少なく自由に運動する

★温度が高くになるにつれ、分子（または原子）がバラバラに離れていきます。鉄は常温では固体で、融点1536 ℃で液体に，沸点2863 ℃で気体になります。

２）電磁波＝熱ではありません。
　　遠赤外線等の電磁波の強さが熱でもありません。

電磁波の一種である「遠赤外線」（別名：熱線）が当たることによって、熱が伝わるすることを「熱放射」と言います。多分、これとゴッチャになっているのではないでしょうか？遠赤外線が強く当たれば当たるほど、当たった物質の分子（または原子）の動きが活発になり（遠赤外線の電磁エネルギーが分子（または原子）運動のエネルギーとして変換され）、熱エネルギーとして温度上昇します。

以前、こちらでも回答しております。
↓
https://okwave.jp/qa/q10274709/a28463217.html

遠赤外線による熱の発生について、詳しく知りたいのでしたら「黒体輻射」についての勉強をお勧めします。こちらで＃１の回答者さんがおっしゃっているとおりです。
↓
https://okwave.jp/qa/q10290842.html

★マクロとミクロ：
別の複数スレッドでも、一人の回答者の方が盛んに指摘されておりますが、ミクロの大きさでの物理現象と、マクロの大きさでの物理現象を一緒くたに考えるべきではありません。統一して考えたくなる気持ちが分からなくもないですが、ミクロの場面とマクロの場面では、力やエネルギーの伝達範囲とか強弱が変わってきます。常に同じ状況ではありません。観測する場面によって、見方・捉え方を柔軟に変えていきましょう。一緒くたにしないで分けて考えることも必要です。

お礼

黒体輻射について調べるよう励ましてくださり、ありがとうございます。

振動が熱であるという考えでもちろん正しいのですが、星の温度は星の色、電磁波スペクトラムで測定するので、電磁波が熱であるという見方も両方正しいような気がします。太陽内部もコロナも気体で、でもコロナで荷電粒子はより自由に飛び回っているから、太陽内部は約6000度でコロナは約100万度な訳ですよね。

コロナの方が高温なのに太陽の方が熱量が高い、温度と熱は似て非なる概念な感じです興味深いです。

電気双極子が電磁波を発生させますよね。

鉄板で考えるとして、陽子と内殻軌道電子との電界曲線は短距離なので高周波、陽子と外殻軌道電子との電界曲線は中距離なので中周波、陽子とお隣の原子の軌道電子や自由電子との電界曲線は長距離なので低周波、だからいろいろな波長の電磁波が一つの原子から放出される、という説明で正しそうですか。文献からではなく、私自身の単純な黙想瞑想迷走に過ぎませんが。高周波は距離による減衰が激しいので鉄板からほとんど出てこないので無視できる訳ですね。回答者様の鋭いご指摘に感心させられました。

私はマクロとミクロの中間の物理が好きなもので…。量子力学が理解できない言い訳ですが…。

回答No.2

Tacochin

熱（温度上昇）は、分子の動きが激しくなるのが原因です。電子の動きが激しくなるのではありません。従って、金属が膨張する理由は、金属の分子間が拡がって体積が大きくなるからです。
※分子：複数の原子の集合体

熱運動について
https://wakariyasui.sakura.ne.jp/p/therm/netu/netuunndou.html

前に別スレッドで、似たような回答をしております。
「水分子の振動と温度上昇。鶏と卵。どちらが先？」
https://okwave.jp/qa/q10274709/a28462568.html

「金属の熱膨張」については、ミクロレベル（原子レベル以下）で考えるのではなくマクロレベル（分子レベル以上）で考えましょう。電子軌道の半径のことは全く考える必要はありません。クーロン力もローレンツ力も全く無関係な話です。ローレンツ力は電流が流れる導線に働く力と考えましょう。

※「周回する電子軌道」って表現すると、また注意を受けるかも知れないので、「周回」は省略して「電子軌道」と呼びましょう。「周回電子」はＮＧワードのようなので。電子は周回しているのではなく、波として、原子核の周りに存在確率の濃淡で表現される雲の如く存在します。

お礼

固体であっても、原子核だけでなく原子全体が振動するのですね。最適な教科書をありがとうございます。

温度は温度計の赤く着色された灯油の熱膨張で測定できますが、水分子にしろ鉄原子にしろ、日光やコンロの炎で先ずは最外殻（鉄原子の場合はN殻）の軌道電子がエネルギーを受け取るかローレンツ力が増すかで振動し、次いでM殻L殻K殻の軌道電子、最後に原子核が振動するという考えがありますよね。でも熱は振動ではなく遠赤外線等の電磁波の強さと考えると、最も高周波で強力な電磁波は、陽子と最内殻Ｋ殻軌道電子との間の電界曲線で生じるので、原子核の激しい振動が最重要なのですね。

でも質問させてもらった膨張は遠赤外線が原因ではなく、回答者様の解説の通りで振動が原因なのですね。振動が温度で電磁波が熱と覚えれば良さそうですか。

考えが迷走中ですが、軌道電子ですね。謝謝。

回答No.1

takochann2

電子の軌道の拡大ではなく、原子（原子核＋電子）の振動です。なぜなら電子の存在できる軌道は離散的ですから少し膨らむと言うわけにはいかないからです。

お礼

K殻L殻M殻…電子軌道の半径は不変と考えられているのですね。例えば原子核が左へ振れれば、クーロン引力の増減で電子軌道は右へ振れるのか、ローレンツ力の増減で電子軌道は上へ振れるのか、でも周囲の原子からのクーロン力が外殻軌道電子にはより強く働いて押しくら饅頭状態なので、外殻電子軌道は左右にも上下にも振れず振動しないかも…。数学が不得手な私には計算が無理です。

温度が上がると励起しようとする電子が増えるので、原子の半径が実質的にわずかに大きくなる感じでしょうか…。相矛盾する想像だけはが膨らむのですが…。回答者の皆様は数学その他に強い専門家、社会に大いに必要かつ有用な存在で、質問にお付き合いくださり深く尊敬しております。