軌道内の電子が持つエネルギーって？

質問

軌道内の電子が持つエネルギー値は軌道ごとにとびとびで違うそうですが(エネルギー準位)
このエネルギーとは一体なんですか？
電子が軌道にいるためにはエネルギー(力)が必要なんでしょうか？

(1)その軌道に入ることで蓄えられるエネルギー(エネルギーの発生)
(2)その軌道に入るために必要とされるエネルギー(エネルギーの消費)
どちらになりますか？

どなたかわかりやすくお願いします(ToT)

回答No.3

noname#212058 · ベストアンサー

ううん、『エネルギー準位＝その軌道の持つエネルギーの大きさ』
としたのは良くなかったですね。回答No2 さんのホテルの例を
使って言いますと、
　・軌道とは『ホテルの各階の床』のこと
　・エネルギー順位とは『ホテルの各階の床の高さ』のこと
　　(ホテルが建っている地上は原子核です)
　・位置エネルギーとは、『地上(原子核)からの電子の高さ』のこと
です。

電子は、原子核の遥か高空から『位置エネルギー』を失いながら
原子核に落ちていき、そしてホテルの床(軌道)に着地します。
ホテルの床(軌道)に着地すると、電子にはその床の高さ（エネル
ギー順位）分の『位置エネルギー』は残っていることになりますね。

# 電子の『位置エネルギー』が、ホテルの床(軌道)に移動する
# わけではありません。

電子は、より下の階の床(軌道)へ落ちることができます。
そのとき、下の階との『エネルギー順位』の差分を電磁波
(紫外線など)として放出します。

逆に、電子がより上の階の床(軌道)に上がるためには、
エネルギーが必要です。外から電磁波を照射して、上の階
(軌道)との『エネルギー順位』差分のエネルギーが得られれ
ば、上の階(軌道)に移動します。これを『励起』と言います。

もっともっともっとエネルギーを与えると、最終的には電子は
空に舞い上がってどこかに行ってしまいます。

# この例では、位置エネルギーを『高さ（重力）』で表しましたが、
# 実際に働くのは、原子核と電子の間の『距離（電気の力）』で
# すので注意してください。
# 電気同士で引き合う力ですから、距離が短くなる方向(エネル
# ギーの低くなる方向) に向かって一方向に移動する性質が
# あります。

お礼

shitaba様、再度ご回答頂きありがとうございました！
わかりやすく教えて下さり感謝です。
エネルギー順位が『原子核からの各軌道の高さ(距離)』という事は、
その軌道の高さにいる時に電子が持つ位置エネルギー＝エネルギー準位との理解でよいのですよね。

電子が原子核に落ちていき軌道に着地するイメージ、自分は落ちていくのではなく、
軌道へ上がっていく(登っていく)のだと勘違いしていました(^^;)
だから電子が上の軌道へ移動する時は、他からエネルギーを与えられなくても、
自らが上に動く(登る)だけで位置エネルギーを変えられるんじゃ…と思っていました。

でも、もしかすると電子は軌道に着地してしまったら、軌道以外の空間に出ることは
一切出来ないのでしょうか！？(軌道と軌道の間の空間を動くことは出来ない？)
軌道の上下移動は、軌道と軌道の間を落ちていきながら(登っていきながら)エネルギーを
放出していく(溜めていく)のではなく、元の軌道でエネルギー放出(溜める)⇒軌道へ瞬間移動(ワープ)
みたいな感じになるのでしょうか？

自分また何か勘違いしてるかも…本当に申し訳ないのですが、気になるのでご回答頂けますと助かります(>_<)

回答No.4

noname#212058

・電子は軌道に着地してしまったら、軌道以外の空間に出る
　ことは一切出来ないのでしょうか

外からのエネルギーの直撃を受ければ、軌道から弾き飛ば
されます。この場合は、そのままどこかにすっ飛んで行くか、
同じ軌道または別の軌道に再着地します。
いずれにせよ、電子が原子内に囚われている限り、軌道
以外の場所に存在することはありません。

と、今までのイメージで説明するとこうなりますが、実際には
「軌道以外の空間」を考えること自体がナンセンスです。
「電子軌道」とは原子核を回る円や球のようなものではあり
ません。

そもそも電子自体が『粒子であり、波でもある』シロモノなので、
「小さなボール」のようなイメージで考えてはいけません。
小さなボールと、海岸に打ち寄せる波の、両方が同時に成立
するという、一般常識からかけ離れた存在なのです。

その電子が着地する「軌道」も、円や球のような三次元的な
存在ではなく、「電子の運動の期待値を現す波動関数」という
非常に一般常識でイメージしにくいものになっています。
三次元で現わされるものではないので、そもそも「軌道以外
の『空間』」という三次元的なものを考えるだけ無意味です。

電子などの、素粒子や量子力学に関するものは、わかりや
すいイメージで説明した場合に『なぜなぜ？』とそのイメージに
対する疑問を呈されると、説明が非常に苦しいです。（イメージ
と実態とに、どうしても違いがあるので、説明をすれば説明する
ほど実態と内容がずれていきます）

お礼

・電子は軌道に着地してしまったら、軌道以外の空間に出る
　ことは一切出来ないのでしょうか

すみません。これは「電子が外からのエネルギーを受けた時に」軌道と軌道の間を登っていかず、
その場から上の軌道に瞬間移動されるのか？という意味でした。

「電子軌道」とは原子核の周囲にある空間のことと思っていましたが、それは三次元的なイメージ
　にすぎなかったのですね。。実態はもっとわかりずらいものと覚えておきます(^^;)

　回答しにくい質問に答えてくださり、本当にありがとうございました。
　前よりは理解が深まったような気がします。

回答No.2

Saturn5

ホテルの建物を想像してください。
１Ｆがロビーで天井の高さが２５ｍ、２Ｆが商業施設で天井が１１ｍ、
３Ｆがスイートルームで天井が５ｍ、４Ｆがエコノミールームで天井が２ｍです。
これが電子軌道でいうと、１ＦがＫ殻、２ＦがＬ殻、３ＦがＭ殻、４ＦがＮ殻にあたります。

Ｌ殻から内側のＫ殻に落ちると、２５ｍの落差なので大きなエネルギーを発生します。
エネルギーは電磁波の形で放出され、これが紫外線です。
逆に、Ｋ殻の電子を外側のＬ殻に引き上げると多大なエネルギーを要します。
Ｍ殻から内側のＬ殻に落ちると、１１ｍ分のエネルギーを発生します。
この程度のエネルギーが可視光線となって放出され、Ｎ殻から外側のＭ殻に
落ちると５ｍ分のエネルギーで赤外線が放出されます。

お礼

ご回答ありがとうございます！！(御礼が遅くなってごめんなさい)
建物の例のおかげでエネルギー高低差はイメージできました。

「こうなればこうなる」というのはわかるのですが、
エネルギー自体についてまだ理解出来ていない気がします。

電子が持つエネルギーとは一体何のための力(パワー)なのでしょう？
エネルギーを多く持つことは電子にとって不都合だとしたらそれは何故なのでしょうか？
（エネルギー低い＝安定、高い＝不安定と覚えちゃえばよいのですが、
その理由が気になってしまいます。）

お忙しいところ申し訳ありませんが、ご回答頂けると助かります(>_<)

回答No.1

noname#212058

「エネルギー準位」にも色々あるのですが、質問にある電子の軌道
についての「エネルギー準位」とは、『その軌道の持つエネルギー
の大きさ』のことです。電子が軌道に入るためには、軌道のエネル
ギー準位に準じたエネルギーが必要です。

電子が軌道に入るためのエネルギーは、電子と原子核とが電磁力
で引き合う力によって発生する『位置エネルギー』で与えられます。
# 電子(-)と原子核(+)の間には、電気で引き合う力が働きますので、
# 電子は原子核に向かって動きます。この動くエネルギーが『位置
# エネルギー』です。

『軌道に入ること』で新たなエネルギーが発生するわけではありません
また、『軌道に入ること』でエネルギーを消費するわけではありません
（軌道に入るまでに、電子が動いた分の『位置エネルギー』は消費
されてしまいますが）

お礼

ご回答ありがとうございます！！(御礼が遅くなってごめんなさい)
頂いたキーワードで色々検索していました。

＞「エネルギー準位」とは、『その軌道の持つエネルギー の大きさ』のことです。
エネルギーを持つのは軌道ではなく、電子ですよね？
(電子がその軌道にいる時に持つエネルギーの大きさのことだと思い込んでるのですが…)

そもそも「エネルギー準位」とは１つの軌道に対する言葉なんでしょうか？
検索すると軌道ごとのエネルギーの高低(エネルギー準位＝順位)とも
とれるような事が書いてあったので混乱してます。
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＞電子が軌道に入るためには、軌道のエネルギー準位に準じたエネルギーが必要です。
電子が軌道に入るためのエネルギーは『位置エネルギー』で与えられます。

電子は軌道に位置するのと同時に、軌道に入るためのエネルギーを手に入れるってことですかね？
（軌道に位置することで、軌道のエネルギー準位になる）

もしそうなら、１つ上の軌道に移動する場合は、他からエネルギーを与えられなくても
自ら位置エネルギーを変化させて移動出来るという事になりますよね？

電子が持つエネルギーについてまだピンと来ないので、勘違いしているかもしれません。
検索はし尽くしたので、ご回答だけが頼りです。
お忙しいところ申し訳ありませんが、また投稿頂けると助かります(>_<)