走査型トンネル顕微鏡と不確定性原理について

質問

最近の顕微鏡や直接原始や分子を操作する最新のナノテク技術など聞きますが、
不確定性原理によれば、極小の物は観察した瞬間には変わる性質があるとも聞きます。
しかし、実際に、分子を操作したり、顕微鏡で見たりできるようです。
なんとも矛盾しているようで、よく分からないのですが、どうして、見たり、操作できたり出来るのでしょうか？

回答No.3

stm003 · ベストアンサー

まず、原子一つを捕まえる（吸い付ける）時に電子の位置を特定する必要はありません。
電子雲のまんまでも大丈夫です。

電子を物質のように移動させたり観測することが出来るものなのかですが、
現時点での科学技術では電子をこのように扱うのは不可能でしょうね。
よくて電子を閉じ込められる程度です。
見る事もまったく出来ていません。
ある瞬間の位置情報を知ることが出来るくらいです。

フラーレンの干渉縞ですが、私もこの実験結果をはじめて知りました。
極論を言えば物質も全て素粒子で出来ていますので、言いかえれば、
全ての物質は全て波で出来ているといっても過言ではありません。
しかし全ての物質が波のように振舞っていないのは、質量が大きくなれば、
不確定性原理の不確定さが小さくなり、不確定な部分を無視してもよいほどの値になるからです。
例に書いた水素原子は一つの陽子と一つの電子から出来ていますが、
それを構成している素粒子は3つのクォークと一つの電子です。
（一つの陽子は三つのクォークから出来てます）
不思議な話ですが、水素原子を構成している素粒子の質量は一つずつ足すと
水素原子の1800分の一程度の質量しかありません。
つまり質量が大幅に増大した水素原子は不確定さがかなり減ります。
大きな原子になればなるほど不確定さは少なくなっていきます。

原子にもある程度の不確定さは残りますが、全く捕まえられないほどのブレといいますか、
揺らぎは残らないものだと思われます。

原子サイズの物がどれくらい揺らいでいるのかだとか、
どれくらいの大きさの物まで干渉縞が観測できるのだとか
それ以上詳しいことは申し訳ないですが私には分かりません。

お礼

返事が遅くなってすみません。
感覚的にとてもよく分かりました！

回答No.2

stm003

不確定性原理で扱っているものは原子よりさらに微小な電子などです。
原子は原子核と電子で構成されていますが、
原子核や電子は原子の大きさと比べるととても小さく、
そのサイズの物質を扱う学問が量子力学で不確定性原理はそこで主に扱われるものです。

原子核が陽子一つで周りを回る電子が一つの一番シンプルな原子である水素で説明すると、
原子核の大きさは原子全体の大きさの10万分の1程度の大きさです。
水素原子を直径1ｋｍ程の大きさにしても原子核の大きさは1センチ程度の大きさです。
そして電子の大きさは原子核の2000分の1程度の質量しかありません。
不確定性原理は電子ほどの大きさのものに対して使われます。

結論としては原子や分子は、不確定性原理を当てはめるには大きすぎる物質だということです。

お礼

回答いただきありがとうございます。

しかし、原子1つを捕まえて移動する場合、電子の位置が観測できていると言うことではないでしょうか？

また、電子は状態によって起動？スピン？が異なりますが、そう言った、不定形？なものを、通常の物質のように、移動させたり、観測することが出来るものなのでしょうか？

また、原子1つなど小さな物ですと、光子のような不思議な性質も表れる
「1999年には、電子や光子のような極微の粒子の替わりに、フラーレンという大きな分子を使って同様の実験を行った場合にも、同様の干渉縞が生じることが確認されている」*1
と言う話も聞き、不確定性原理の働く可能性があるのではないかと疑問に思った次第です。
これらとは一切無関係な物なのでしょうか？

もしよろしければお時間のあるときに教えて頂ければ幸いです。

*1http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E9%87%8D%E3%82%B9%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%88%E5%AE%9F%E9%A8%93

回答No.1

cocacola2010

走査トンネル顕微鏡は、非常に鋭い針を試料表面に近付け
表面の原子からリークする電流（トンネル電流）を測定することで原子を見ています。
測定時に流れる電流はnA程度。つまり1秒間にすると6O億個もの電子を吸い上げている
ことになります。
つまり走査トンネル顕微鏡で見ているのは、あくまで電子が流れてくる統計的な
確率を見ているということです。

お礼

回答いただきありがとうございます。
ただ、この顕微鏡（？）の原理を上手に使うと、原子を動かすこともできたと思います。そうなってくると、単純な確率ではなく、物質のように扱っていますので不思議に思っています。