原子の性質

質問

原子は、ちょっとした中性子や電子など個数（位置関係）の違いでなぜあんなに違う性質をしめすのでしょうか？
　逆に、陽子、中性子、電子の配置等によりその原子や物質の性質を数値解析やなにかで解き明かすことができるのでしょうか？

現在、どこまでわかってるのかなって思いましたので質問します。

回答No.3

apple-man · ベストアンサー

>どちらかと言うと物理的なことです。電子の数やエネルギー状態が違うと、強度が強かったり、超伝導になったり、沸点や融点が違ったり、磁性をもっていたり、そんな漠然としたものなんです。

>超伝導になったり、磁性をもっていたり、

この2点は正に電子の個数の違いから来る、電子の軌道等の
性質によるものです。単体で強い磁性をもつ鉄、コバルト
ニッケルなどは温度を下げても超電導になりません。

（磁性）
　電子というのはそれ自身回転しているような性質（電子のスピン）
を持っています。電子という電気を持つ物体が回転すると、
コイルのような電流のループと同じような現象が
起きます。電流をループさせると、磁界が発生するのです。
つまり電子１つ１つはみな小さな磁石なのですが、物質の
中にある複数の電子のN-S極は皆ばらばらの方向を向いて
いることが多いので、殆どの物質は全体として磁性を持ちません。
ただ先に挙げた鉄、コバルト、ニッケルのような物質は
そのスピンの方向（N-S極の方向）そろえられます。

（超電導）
　超電導は原子間の零点振動と呼ばれる振動（フォノン）が
２つの電子を１組に結合（この１組をクーパーペアーと言う）
させてしまうことにより起こる現象なので、スピンの方向が
そろっているとうまくいかないのです。
　イメージ的にはこうゆう感じです。磁性体の中では
電子のN-S極の方向が揃っていますから、これは棒磁石を
全部同じ方向に向けて並べているような状態です。
　N-S極が同じ方向を向いている２つの棒磁石を平行に並べ、
くっ付けようとしても、同じ極同士が反発してくっ付けられません。
これが磁性体が超電導にならない大まかな原理です。

（補足）
＞電子など個数（位置関係）の違いでなぜあんなに違う性質をしめすのでしょうか？

　念のために付け加えておくと、電子は個数が変化すると、
その軌道の形自体が変わります。その形によりS軌道、P軌道
D軌道・・・と分類されます。

＞沸点や融点が違ったり、

　まず物の温度というのは原子自身の振動の激しさとほぼ同じ意味です。
　固体が溶けて液体になったり（融点）、液体が気体になる（沸点）
というのは、振動が激しくなり過ぎて、原子、分子間の結合の力
より強くなることにより起こります。原子、分子間の結合の力の
担い手は電子です。

＞疑問なものの一つに絶対零度ってなに？とか温度ってなに？っていうのがあるのですがそのへんも量子力学を勉強すればわかるのでしょうか？

　そのあたりは量子力学を参考にしつつ、熱力学という分野を
勉強されれば分かります。
　温度とは大まかに言うと、原子、分子の振動とその振動の
影響から生じる電磁波の持つエネルギーのことです。
光も電磁波の1種で、光のうち赤外線と呼ばれる目に見えない
光の強さを人間は温度として感じます。

　このあたりの熱、熱力学に関する読み物として、
講談社ブルーバックスシリーズから出ている
「熱とは何だろう」竹内　薫（定価９４０円）
をお勧めします。

（絶対零度ってなに？）
　上の説明のように、温度は振動ですから、温度を下げるということは
この振動を弱めることです。つまり振動が止まってしまえばそれ
以上温度が下げられない究極の零度、つまり絶対零度が存在
するのです。現在これは約-２７３℃と知られています。
　しかしこれ以上温度が下げられない絶対零度でも、先に
説明した原子間の零点振動であるフォノンという振動が残り、
これが電子同士を引きつける源となり超電導が起こることが
知られるようになりました。このフォノンあたりの説明には
量子力学や固体物理学といった分野の知識が必要です。

お礼

こんなにご丁寧なご回答ありがとうございます。

鉄は超伝導になります。15GPa以上の圧力を加え2K以下に冷却することにより超伝導となるようです。そんな話を聞いたことがあります。ただし、そのとき、磁性はもなくなっているようです。すべての元素が超伝導になるものと予想されているようです。
磁性超伝導体という言葉もよく耳にします。希土類金属をもった酸化物超伝導体などのことのようです。ただ、この場合もBCS理論とは異なった超伝導発現機構があるのではと研究されているようです。

　フォノンの振動はなぜ絶対零度でも残るのでしょうか？記憶の片隅には、銅や銀などの電気を良く流す物質は、温度を下げていくとフォノンによる部分がメインとなり、熱伝導率にピークがある・・・・。よく、おぼえていないのでちょっと勉強しようかなという気分になってきました。

最近は、冷凍機に興味があるので断熱消磁や断熱膨張など等エントロピーで温度変化をさせる新たな方法はないかな～って思ってます。そんなことを考えていてなぜかこんな質問をしました。

ありがとうございました。

回答No.7

rinjinto

追加です…
高圧下ではどんなものでも磁気秩序を起こし、超伝導になると考えられております。ただし、実験方法がかなり限られていて、電気抵抗だと10GPaくらいまで測定できるようですが、磁性を調べるNMRなんかだと3GPaくらいが限度だそうです。

ある方は
「どんな元素でも圧力をかければ超伝導になるんだ」
という考えでいろいろな元素に圧力をかけて、実際に超伝導を発見しているそうです。
…ちなみに…「次は水素だ～」などと言っておられるそうですが、
水素では磁気秩序すら発見されていないので、道のりはまだまだ遠そうです…

回答No.6

rinjinto

磁性と超伝導に関しては現在研究されている問題です。

BCS理論では↑スピンと↓スピンがクーパー対を形成する(s波超伝導)というものですが、
磁性超伝導ではS＝1、l＝1になるもの(p波超伝導)とS＝0で、l＝2になるもの(d波超伝導)というものがあります。

磁性超伝導の起源はスピンのゆらぎ(スピンが↑から↓、もしくは↓から↑に変化すること)と言われており、p波は強磁性的なスピンのゆらぎが、d波は反強磁性的なスピンのゆらぎがクーパー対を形成する引力の起源になっています。
p波の部分波がクーパー対を形成する起源となっているものとして代表的なものにヘリウム3の超流動があります。

詳しい話は省きますが、酸化物に限らず磁性超伝導は発現しています。
しかし、その温度は非常に低いものです。
(非常に高いと言われるものでも3K以下)

ちなみに…"超伝導"と"超電導"のちがいですが、
物理学では"超伝導"を使います。
"超電導"を使うのは工学的な方で、一般的に利用価値のあるものを指す時に使うそうです。
(つまり、利用価値のないものは"超伝導"らしいです)

回答No.5

apple-man

＞
鉄は超伝導になります。15GPa以上の圧力を加え2K以下に冷却することにより超伝導となるようです。

　超高圧の話を持ち出されましたね。それは私も非常にに興味あることなんですが、
その話を持ち出すと、全ての物質の特性が全く変わってしまい別世界の話？
になってしまいます。原子間隔が変化してしまうほど非常に高い圧力が
加わるとやはり電子の軌道、エネルギー状態に大きな変化が生じます。

　別世界というのはどうゆうことかと言うと、よく紹介される超高圧
の実験は水ですが、純水（H2O)は電気を通さないというのが常識
です。水道水など身の回りにある多くの水は実際には電気を
通してしまいますが、これは不純物が溶け込んでいることに
よりイオンがあるからですね。
　ところがこの水も超高圧を加えると電気を通してしまいます。
金属的電気伝導の特性を示すのです。もし私がここで水って
金属と同じように電気通しますよね？て言ったら、え？て
思いますよね。そうゆう意味で別世界のことなんですよ。

＞すべての元素が超伝導になるものと予想されているようです。
磁性超伝導体という言葉もよく耳にします。希土類金属をもった酸化物超伝導体などのことのようです。

　酸化物超電導体の研究の途中でも研究者たちはこの超高圧の効果が
超電導特性に影響するに違いないと、実験用サンプルを作るときいろいろ
圧力を加えてみたんです。酸化物超電導体は一言で言うと焼き物ですが、
有田焼のつぼなんかとどこが違うかと言えば、複数の酸化物の粉を金属の型
に入れものすごい圧力を加えて成型した後、焼き固めるんです。系統的にはファインセラミックと呼ばれるものです。

　私の前の説明から分かると思いますが、本来磁性と超電導は
相容れないものなんです。酸化物超電導体の場合も含まれる
金属元素の組成を変えて行くと磁気的特性を示す組成と
超電導特性を示す組成があります。

＞磁性超伝導体という言葉もよく耳にします。

　これについて私は詳しく知らないのですが、確か
数年前に日本人研究者が発見したものだと思います。
常識を覆しているのです。

＞この場合もBCS理論とは異なった超伝導発現機構があるのではと研究されているようです。

　そしてもう一つ、BCS理論そのものが間違っているのではと
考える人たちもいます。酸化物超電導体にはいろいろな元素の
組み合わせ、組成のものがありますが共通しているのはCuO（酸化銅）
のが結晶構造の中に2次元的に広がっていることで、この構造が
BCS理論で言うフォノン機構とは別の超電導発現機構の元になって
いるのだろうと多くの研究者が考えていました。ところが
昨年青山学院大学からホウ化マグネシウムが３０K（ケルビン）以上で
超電導特性を示すという発表があり事態が一変してしまいました。
　因みにBCS理論では、熱的振動がフォノンによる引力を妨害
するため３０K以上では超電導は起きない傾向が理論式から
読み取れます。

＞フォノンの振動はなぜ絶対零度でも残るのでしょうか？

　それは量子力学より導き出される不確定性原理の影響なんです。
BCS理論がノーベル賞を受賞した理由の１つには、基礎物理学の
理論から導き出されたこの不確定性原理を電気電導という具体的
物理現象の説明に応用した功績が評価されたことが挙げられて
います。
　不確定性原理をおおざっぱに言うと、物の位置と運動量の積の
値はプランク定数と呼ばれる数値以下にできないというもので、
温度を下げ、原子の振動を止める、つまり原子を位置を固定しようと
すると運動量が増加してしまい、結局位置を固定できない、つまり
原子の位置はプランク定数という数値の制限下で絶えず位置が変化
してしまうことを意味します。これって、つまり振動が止まらないと
いうことです。

＞熱伝導率にピークがある・・・・

　物質中の熱とは原子の振動ですが、熱伝導、つまりその振動が
物質中を伝わって行くときには、原子核同士が直接ぶつかるわけ
ではありません。原子核の振動は電子に伝わり、さらにお隣の
原子の電子へ、そしてそのお隣の原子核へと伝わります。
　ですから電子が自由に動きやすければ熱も伝わりやすいのです。
そんため自由電子がある金属は電気の良導体であると共に熱の
良導体でもある。
　ですから熱伝導を測定することは、電子の状態を知る１つの
手がかりになり、超電導の研究でも盛んに熱伝道、比熱の
測定を行います。

ここでもとの質問に戻りますが
＞　逆に、陽子、中性子、電子の配置等によりその原子や物質の性質を数値解析やなにかで解き明かすことができるのでしょうか？

　ですが、方法としては先に挙げた配位置場理論、そして汎密度関数
といったものがあり、詳しくは分かりませんが有機化学の分野では
コンピュータ上でいろいろな分子構造を組んでやるとその特性が
出るといったソフトもあるようで、物質の系統（例えばアルミニウム
を含む２相化合物とか）を限定してやればその性質はかなり数値的
にも特定できる手段はあるようですが、それだけで全てが分かる
ところまでは行っていないため、上に述べたような予想外の
新物質の発見が続くのだと思います。
　原因は、フォノン機構云々といった話から分かるように、
物質の特性決定に大きな影響を持つ電子の運動が完全には
解明されていないためです。

回答No.4

noname#3511

なぜでしょう？この回答は、情報の確かさにかけますし、質問に直接的な話でないので、あまり意味はないかもしれません。

　より小さい素粒子の世界のことも、考える必要があるのかもしれません。
確かに、質問にあるような「ちょっとした違い」と呼ばれている違いは、われわれの人体の日常のスケールからすると、限りなく微細です。ただの数の違い、のようにも見えます。
ですが、物質の様相の、根底にある決定的な違いです。
遺伝子にしても、ハエと人間は忘れましたが、人間とねずみなど、ほぼ遺伝子の数の多さとしては大差ありません。１００と９０ぐらいでしょうか。
だけれども、その表立った様相はどうでしょう。文字通り、ねずみと人間並みに違うのです。遺伝子のサイズですらそうなのです。
原子レヴェルになると、構成するのは同じ何らかの原子（C等）であれど、より表層（巨視的に）では、文字通り、月とすっぽん並みに違いが出るのです。亀と、星ぐらいに違うのです。その根源である原子に、共通があれどです。世界は多次元的に広がりを見せているので、小さな世界での小さな違いは、大きな世界での大きな違いに相当すると考えれます。
　小さな世界は、大きな世界の、歴史的存在だともいえます。過去の歴史が現代をつくっているのであり、その影響は、未来（巨視的世界）に及んで計り知れません。

より根源的な物を解明することで、より大きな世界に広がる物と物の共通項を知ることができる。つまり、同じ土台で語ることができるということです。小さい世界と、大きい世界の分離思考も、そういう見方で統一できるのではないでしょうか。
＞違う性質をしめすのでしょうか
同じ分子でも、状況によって違う振る舞いをします。氷と、水蒸気が、同じ水だとは、その経緯を見ても、にわかには、信じがたいことです。
原子についても、その構成が素粒子によってなっているとわかった以上、水分子と同じことが言えるかもしれません。変態するということです。小さい物を取り巻く小さい世界の状況が変動する以上、そこにある小さい物も、変動するはずです。
弱い力は、放射性物質の蒸発を意味するのであり、強い力は固化を意味するのではないでしょうか。放射性物質は、すでに沸点に達し、変態していっている物質ともいえます。

＞陽子、中性子、電子の配置等
それらが決定する理由に、いわば原子の情報を決定するもの、人体の遺伝子のようなものを想定できないでしょうか。
情報は伝わるために、振動です。波というのが、原子の遺伝波情報かもしれません。だけれども、媒体を必要とするのが波です。
だから、光子のように、粒子が波を記憶している、粒子に波動が刻まれている。と考えると、その跡を、物理的に見ることは可能であると思われます。
その記憶の波が、原子の個性の、より根底的な一因ではないでしょうか。

回答No.2

Largo_sp

一つ...ランタノイド、アクチノイドは化学的には殆ど同じ性質ですよ...
だから分離が難しく、なかなか元素としてでてきませんでした。
それに中性子の数では原始の化学的性質は全くかわりませんし、
物理的性質も崩壊のしやすさ以外は殆どかわりません...

量子力学を使って考えれば、電子の位置関係によっての原子の性質は解明されています
それを使ったものが、MRIとか、スペクトル分析装置とかいったものです。

分子にかんしては、無機物質に関しては殆ど数値解析的な事はわかっているはず（知らないけど）です
有機物質については、無限の可能性がある...としかわかりませんね...
数値的に解析できていたら、ヒトゲノム解析なんて必要なさそうですから...

お礼

ご回答ありがとうございます。
　分子、無機物質に関して数値解析的なことはわかっているのだとすると、例えば、高強度の合金の組成をグリッド計算などにより求めたり、どの物質が超伝導を示すかなども時間をかければわかるのでしょうか？
　あと、物質よって、融点や沸点なんかが決まっていますが、それもなんらかの計算で求まるのでしょうか？

補足

中性子の数の違いについてですが、ヘリウム４は２Kで超流動になりますが、ヘリウム３は2mKで超流動になります。わたしのなかで疑問なものの一つに絶対零度ってなに？とか温度ってなに？っていうのがあるのですがそのへんも量子力学を勉強すればわかるのでしょうか？

回答No.1

apple-man

＞原子は、ちょっとした中性子や電子など個数（位置関係）の違いでなぜあんなに違う性質をしめすのでしょうか？

　違いがでる直接の原因は電子の軌道、エネルギーの状態が
その個数（電子の）により複雑に変化してしまうことにあります。

　電子の個数は陽子の個数と同じなので、結果として原子全体の
違いが原子それぞれの特性の違いに大きく影響しているようにに
見えるのです。

　原子の性質の違いとは主に化学反応時のことを言われていれて
いるのだと思いますが、例えば水素原子２個と酸素原子１個が
結合して水になると言っても、実際結合に関与するのは
それぞれの原子にある電子です。共有結合、イオン性結合等
化学的な結合の特性を決めているのは電子の状態です。

＞　逆に、陽子、中性子、電子の配置等によりその原子や物質の性質を数値解析やなにかで解き明かすことができるのでしょうか？

　紫外線や電子線を物質にあてて、跳ね返ってきた電磁波や電子の
状態を調べることで物質の特性を明らかにできる場合がありますが、
数値解析はどうでしょうか？
　分子全体の特性を理論的に説明するために配位場理論というのが
あったとは思うのですが・・・

お礼

ご回答ありがとうございます。
　知りたいのは、どちらかと言うと物理的なことです。電子の数やエネルギー状態が違うと、強度が強かったり、超伝導になったり、沸点や融点が違ったり、磁性をもっていたり、そんな漠然としたものなんです。