水素原子の構造

質問

水素原子についてなんですが，原子核である陽子の周りを電子がまわっていますよね。その電子は速度は落ちずにずっと回っていると思うんですがその理由がわからないんです。回り続けるためのエネルギーってどこから来るのでしょうか？
それとＫ殻，Ｌ殻，Ｍ殻などの電子殻の半径って原子の種類によって違うのか，それとも種類に関係なくその距離は一定なものなのか知りたいんです！
どなたか知っていたら教えてください！！

回答No.7

134

複雑ということで、より端的に

原子核の周囲を回る電子の運動：位置、速度、運動量は測定不能。これを不確定性原理といいます

文献を読んでいますと、電子は実際のところ「原子核の周りを回っている」という表現が適切なのか不明のように感じます。

　電子軌道そのものに、エネルギーが決まっています。原子核に近く、単純な軌道ほどエネルギーが低いです。

　Ｋ殻、Ｌ殻…と増えるにつれて、原子半径が大きくなっています。これは、順次　原子核からの距離が遠くなることを意味しています。

　ただし、Ｌ殻、Ｍ殻に入っている電子がすべて同じ軌道内にあるわけでなく、複数の軌道が存在し、その軌道の中に、「スピン量子数　上と下」の２つしか入れない　（パウリの排他律）　ということが知られています。

　電子は、外からのエネルギーにより、軌道から別の軌道へ飛び越えることがあり、そこから元に戻るときに、吸収した波長の光を出します。
　例えば、ナトリウムは黄色付近ですが、結果、炎色反応で黄色を示しますし、トンネルなどにある「ナトリウムランプ」も黄色を示します。

回答No.6

134

弾丸を格子状のものに向けて発射したとします。
巧い人なら、どこか１つの穴を通り抜けるでしょう。
しかし、電子や光子は、「複数の穴」を「同時」にすり抜けます。
これにより、電子や光子は、波の性質を持っているといわれています。

　また、１個の電子の位置を測定しようと観測を始めたとたん、電子の運動が観測前と全く違ったものになってしまいます。
　よって、電子が原子核の周りでどのように動いているのかは、わかりません。ただ、確率として示され、既に回答に出ている電子雲という表現で表されます。

Ｋ殻、Ｌ殻と増えるに従い、その軌道の半径は大きくなります。ただ、Ｌ殻、Ｍ殻の中でも、その軌道は何種類か存在しています。

また、Ｋ殻の次は、Ｌ殻で、その中間というものは、ありません。（このあたりは粒子性）
もちろん、Ｋ殻より内側の軌道もなく、電気の引力で、電子が限りなく原子核に近づいて、とらえられてしまうということもありません。
（Ｋ殻提唱の時点では、内側にみつかるかもしれないと思われていたようで、アルファベットのほぼ真ん中のＫが使われたらしいですけど）

Ｋ殻には電子の軌道は１つ　球状のｓ軌道と言われています。（環境によりゆがむこともあるでしょうけど）
Ｌ殻は、ｓ軌道とｐ軌道の２つ
　　　　ｐ軌道は、１つの平面に対して、電子の存在がありません。
　　　　∞のような軌道といわれています。
　　　　１つの平面ということで、ｘ、ｙ、ｚのそれぞれで存在しない別の軌道が考えられ、ｐ軌道は３種類存在します

余談ですが、１つの軌道に２つの電子が入ります
1sに２個、2sに２個、２ｐ(xyz）に６個とすると、電子は１０個
これは、不活性ガスであるネオンの原子量であり、２＋６＝８個で安定するというオクテットセオリーの根拠です。

Ｍ殻では、ｓ、ｐ、ｄという３種類の軌道ができます。
しかし、３ｄ軌道と４ｓ軌道でエネルギーの差が微妙になるため、ナトリウムからアルゴンまでで周期律表を埋めたまま、次の段に移ってしまいます。
　ｄ軌道（そして、そのあとに登場するｆ軌道）とｓ、ｐ軌道のエネルギー準位の逆転により、周期率表の４段目以降より遷移金属だのランタノイド、アクチノイドといった複雑なパターンになってしまいます。

　また、特定の波長の光で、電子が高い軌道に移ってしまうことがあります。これを励起状態と呼びます。励起状態から元の基底状態に戻るときに、吸収した波長の光を発し、燐光や蛍光などの現象として確認されます。（炎色反応も同じ原理）

お礼

回答どうもありがとうございます！！
う～ん，なんだか複雑で頭がこんがらかっちゃいました。。。
でも炎色反応のことは興味ありありです♪

回答No.5

Ichitsubo

>空気抵抗とかは考慮しなくていいのでしょうか？
空気って原子(で出来た分子)ですよね。
空気抵抗って言うのは空気の各種分子にぶつかることでうける抵抗のことですから……

もう言わずもがなとは思いますが、電子の存在する領域に空気はありません。

お礼

空気抵抗のことはよくわかりました。考えてみればそうですよね。
でも電子雲のことなんですが，あの領域を電子が移動するってことになると原子核に近づいたり遠ざかったりするってことですか？？
なんか混乱してきました。。

回答No.4

Ichitsubo

>まわっていないとなるとじゃあ実際はどうなっているのでしょうか？
太陽の周りを惑星が回っているようなモデルは間違いです。

電子はある確率で原子核の周りに存在しています。この電子の存在しているところを電子雲と言います。電子運は電子殻を構成する副殻(電子軌道)により形が決まっています。
http://law-of-causality.hp.infoseek.co.jp/elec2.htm
この図の電子雲の図で色の濃いところほど電子の存在確率が高いと言えます。

上記URLは、http://law-of-causality.hp.infoseek.co.jp/elec1.htm
とあわせてお読みください。

回答No.3

Ichitsubo

>回り続けるためのエネルギーってどこから来るのでしょうか
回り続けるためにエネルギーは不要だと思われますけど。なぜエネルギーを補給してやらねばならないんですか？

>Ｋ殻，Ｌ殻，Ｍ殻などの電子殻の半径って原子の種類によって違うのか
違うから原子半径も違うんです。電気陰性度はちょっとこの説明には不適当だと思います。リチウムとフッ素ではおなじL殻でも中心の電荷が3+、9+とことなりますので、より強い正電荷により引きつけられるフッ素原子のほうがＬ殻の半径は小さくなります。

お礼

回答どうもありがとうございます。
電子が回ることによる空気抵抗とかは考慮しなくていいのでしょうか？
殻に関しては原子核の電荷の大小によって決まることは理解できました！！

回答No.2

SortaNerd

まず根本的な誤解を解いておくと、一定速度で回り続けるのにはエネルギーは要りません。
地球も太陽の周りを回っていますがエネルギーは消費していません。

そして、これを言うと混乱させてしまうかもしれないのですが…
電子は核の周りを回ってはいません。周りを回るというのは一種の方便です。
本当に回っているとすると電荷があるために電波を発してエネルギーを消費して止まってしまいます。

電子殻の半径は原子によって異なります。
同じ周期の原子(希ガス除く)を比べると原子量の大きいものの方が原子半径は小さくなります。

お礼

回答どうもありがとうございます。
まわっていないとなるとじゃあ実際はどうなっているのでしょうか？

回答No.1

mator

スペシャリストではなく、一学生の意見ですが、

電子が回っているのは、周りの熱エネルギーによって
ではないでしょうか？それと、電子は陽子のまわりを
回っていますが、軌道があるわけではありません。
雲のように陽子をとりまいて、そこに電子が存在します。

また原子はそれぞれ、電気陰性度というものがあり、
電子を強くひきつける物質ほど、殻の大きさは小さくなります。

お礼

回答どうもありがとうございます。
殻は原子によって変わるんですね！
わかりました☆