電子が光子を放出する条件

質問

電子は単独で光子（電磁波）を放出しますか。それとも陽子とペアで電気双極子を形成する必要が有りますか。

回答No.4

QCD2001 · ベストアンサー

＞マクスウェル方程式ですか。反陽子や中間子も関係するのですね。

いいえ違います。反陽子も中間子も全く関係ありません。何度も書いていますが、関係があるのは「電荷」です。
「電荷が加速度運動」をするときに電磁波が放出されます。反陽子も中間子も電荷をもっていますから、これらが加速度運動をすると、「電荷が加速度運動」をすることになります。この「電荷の加速度運動」が電磁波を放出します。「反陽子だから」でもなければ「中間子だから」でもなく「電子だから」でもありません。「電荷が加速度運動をする」から電磁波が放出されるのです。

電荷の減速時にも電磁波が放出されます。エックス線を発生させるときには、電子を数ｋVの電圧で加速して、タングステンの電極にぶつけます。タングステンは固くて重いので、これにぶつかった電子は急激に減速します。この減速によってX線が発生します。減速するときに吸収するというのは間違いです。

＞外殻L殼から内殻K殼へ軌道電子がエネルギー準位を下げる時

これは量子論的な過程でで電磁波が放出されます。加速や減速とは関係ありません。
ちなみに、古典論的な話をすると、原子核に近い方がクーロン力が強いため、これと釣り合うような遠心力を得るためには、より速く運動する必要があります。ですから、内殻の電子の方が外殻の電子より速いスピードで運動していることになります。ただし、これは古典論的な表現をすれば、という話です。実際には電子はそのような運動をしているわけではありません。
また、外殻から内殻へ移る時、だんだんスピードが速くなってうつるのではありません。ですから、外殻から内殻へ移るので加速度運動なので電磁波を出す、と考えるのも間違いです。

＞積乱雲内の電子と地面の陽子で電気双極子が形成されるので

以前も書きましたが、「電気双極子」というのは計算上の概念にすぎません。「電気双極子」と呼ばれる実体があるわけではありません。計算するにあたって、「電気双極子」という「計算方法」を使うと便利だ、というだけです。
掛け算をするときに、「掛け算九九」を使いますよね。でも「掛け算九九」と呼ばれるような実体は存在しません。水素原子や酸素原子や、これらが化合した水分子は実体として存在しますが、「 掛け算九九」」という実体は存在しません。
電荷は実体として存在しますが「電気双極子」という実体は存在しません。「掛け算九九」は便利ですが、「掛け算九九」という実体が存在しないのと同じです。

目の前に、プラスの電荷とマイナスの電荷の2つの電荷があったとします。この電荷から生じる電場について、AさんとBさんが計算競争をしました。Aさんは2つの別々の電荷として計算をします。Bさんは電気双極子として計算をします。「よーいドン」で同時に計算を始めました。
このとき目の前にある2つの電荷は「電気双極子」を形成しているのでしょうか？いないのでしょうか？
そういう問題なのです。「電気双極子」という実体は存在しません。「電気双極子が形成される」なんてことはありません。電子双極子として計算するか、別々の電荷として計算するか、というだけです。

いい加減に、何とかの一つ覚えのように、何でもかんでも電気双極子に結び付けようとする、あほなことはおやめになった方がよろしいかと思いますよ。

回答No.3

QCD2001

まず、「電荷」が加速度運動をすると電磁波が放出されます。
これは「電子」であろうと「陽子」であろうと、関係ありません。電磁波を放出するのは「電子」ではなく、「電荷」の加速度運動です。
これはマックスウェル方程式による、古典論的な過程によるものです。くどいようですが、この場合電磁波は「電子」が放出するのではなく「電荷」の加速度運動が放出します。従って、電子でも陽子でも陽電子でも反陽子でもプラスのパイ中間子でもマイナスのパイ中間子でも、K中間子でもミューオンでも、全く関係ありません。電荷の加速度運動が電磁波を放出します。

もう一つの電磁波の放出過程として、素粒子の反応による光子の放出があります。
原子核の中などから電磁波が放出される過程がこれです。
中性子の内部には、電子も陽子もありませんが、中性子は30分程度の半減期で自然に崩壊して、陽子と電子と光子とニュートリノに崩壊します。内部に電子や陽子がなくても陽子と電子が生成されて出てくるのです。ラジオアイソトープの中には陽電子を放出するものすらあります。このように素粒子の反応では、内部に含まれていない様々な粒子が生成されて出てきます。これと同じように、素粒子の反応により光子が生成されて出て来る反応があります。これも電気双極子とは無関係に出てきます。
なお、この過程で放出される電磁波は、マックスゥエル方程式による電磁波とまったく同じものであって、2種類の電磁波があるわけではありません。

先に上げた陽電子放出の場合には、原子核の中で陽子が陽電子と中性子とγ線に分解して出てきます。γ線という電磁波が出てきますが、陽電子の周りにあるのは陽子と中性子とであって、マイナスの電荷は核内にはありません。もちろん原子核の外側には電子がまわっていますが、これとの電気双極子が電磁波を放出するとしたら、その電磁波の波長は実際に放出される電磁波よりはるかに長い波長の電磁波でなければなりません。ですから、双極子が電磁波を放出するとする考えは、事実とまったく合っていません。従って間違い、ということになります。

お礼

マクスウェル方程式ですか。反陽子や中間子も関係するのですね。

電荷は加速時に電磁波を放出し減速時に電磁波を吸収する？あるいはその正反対？私のスカスカの頭が混乱しております。
外殻L殼から内殻K殼へ軌道電子がエネルギー準位を下げる時、電磁波が発生しますよね。エネルギー準位が下がるので減速運動に思えるのですが…。

積乱雲内の電子と地面の陽子で電気双極子が形成されるので、お互い数キロ離れている陽子と電子が電気双極子を形成している、電子一粒が陽子数京粒と超微弱に繋がっているような…。陽子一粒も電子数京粒と超微弱に繋がっていて…。グリコ一粒300メートル以上どころか3000メートル以上、貧弱なSFっぽいですが…。

ゆっくりしか考えられないので地下鉄漫才状態、数週間は楽しめそうです。分かりやすい解説をありがとうございます。

回答No.2

QCD2001

質問者さんの他の質問で何度か書いたように思いますが、電気双極子はそもそも関係ありません。電荷が電磁波を放出します。または核反応により電磁波が放出されます。いずれの場合も、電気双極子とは無関係です。
質問者さんのご友人がアンテナの長さにこだわっていらしたとのことですが、双極子ダイポールアンテナの長さは、電波が空中に放出される高率に関係しますが、双極子でなくても電波は出ます。
アマチュア無線などの場合はアンテナへ流す電流の出力が法律で規制されているため、できるだけ効率よく電波を出したいのです。

アマチュア無線は遠くの人と会話をしたいわけですが、そのためには強い電波を出す必要があります。強い電波を出す手っ取り早い方法は、送信機の出力を大きくすることです。しかし、これは法律で制限されており、一定以上の出力の送信機は使うことができません。そこで、アンテナの効率を良くしようとするわけです。
そのためにダイポールアンテナの長さにこだわるのです。

電子が光子を放出する場合、電気双極子は全く関係ありません。無駄に双極子にこだわるのはおやめになった方が良いかと思います。

お礼

電子が単独で電磁波（光子）を放出するという理論ですと、原子核に電子が含まれないのに核分裂や核融合で電磁波（光子）が放出される？？？陽子も電磁波（光子）を放出する？？？電子が放出する電磁波（光子）と陽子が放出する電磁波（光子）と２種類存在してしまうような…。核反応について私の理解が足りないのでしょう。ありがとうございます。

回答No.1

Nakay702

以下のとおりお答えします。

＞電子は単独で光子（電磁波）を放出しますか。それとも陽子とペアで電気双極子を形成する必要が有りますか。
⇒電子が他の粒子と衝突した際に光子を放って自身は消滅する、というのが光子放出のプロトタイプらしいですね。ただし、お尋ねのように、電子が単独で光子（電磁波）を放出することもあるようですね。つまり、真空ゆらぎなど何らかの変動に起因して《電子が励起状態から基底状態へと遷移すると、電磁場が基底状態から励起状態へと遷移し、一つの光子が場に生成される》*のだそうです。

＊部分の詳細については、次のサイトをご参照ください。
https://ja.wikipedia.org/wiki/自然放出