重なった状態で存在できないのは何故か？

質問

ビー玉がぶつかりあうとお互いが当たった瞬間はなれていったり重いほうが軽い方をはじいたりします。そこではお互いのビー玉同士が透明人間なのかのように重なってからすれ違ったりはしないですよね。

ぶつかった瞬間のはじきあう前のビー玉が接しあっている部分を極端に拡大してみます。するとビー玉同士の分子達がぶつかりあっているってことになりますよね。分子は原子で出来ていて原子は原子核と電子で出来ている。
ここで疑問です。ぶつかってはねかえる瞬間はお互いのビー玉同士の原子核同士がぶつかりあってからはねかえるのでしょうか？原子核がぶつかった瞬間縮んだりしない限り反発力が生まれないって事ですよね？後原子核同士を近づけるにはかなりのエネルギーが必要ってきいたときもありますし・・・・・・・　

この世のすべての現象は４つの力で説明できるみたいですね。弱い力強い力電力重力。
ビー玉同士がぶつかった時お互いがはじきあい離れる減少は４つの力のうちどれに当てはまりますか？

回答No.4

noname#212313 · ベストアンサー

確かに力の種類としては、長距離力（目に見える大きさの距離）として電磁気力、重力があり、近距離力（原子核内などの目に見えない程ミクロな距離）として弱い力、強い力があります。それ以外はありません。

　四つのうち、斥力を生じるのは電磁気力だけです。物体（考えやすいよう固体だとしておきます）は原子が連なってできているわけですが、原子は原子核を中心として周りに電子が原子核を覆うようにして存在しています。

　二つの物体が接触すると、ミクロに見れば原子核を覆う電子同士が接近します。接触面の電子同士には斥力が働きます。同じ負の電荷だからですね。斥力なのですから、互いに押し返すことになり、二つの物体はそれ以上接近できません（マクロに見れば、ぶつかれば止まる、という状態）。

　しかし、電子同士には斥力が働くとしても、その電子は押されています。どうして電子は後退しないのか、ということがあります。原子核の周りにある電子は大きさがありません。ですので、原子核の周りに電子があるとはいえ、スカスカの状態のはずです。

　確かにスカスカなんですが、量子力学が明らかにしたのは、電子のようなミクロなものは「確率的に分布する」ということです。そのため、雲のようにぼんやりとした状態で原子核の周りを覆っています。何かが入り込む隙間のようなものは生じません。雲同士が接触し反発しているので、物体が接触しても、物体を構成する原子表面で止まるわけです。

　それでも、電子が後退してしまわないかどうか、よく分からない感じです。実はよく分からないんです。ただ、「電子は同じところに二つ以上存在することができない」ということが、実験・観測事実で分かっています。原子核を作っている陽子と中性子も同じです。パウリの排他原理と呼ばれています（パウリの排他律ともいう）。そうなるのは確かなのですが、なぜなのかはよく分かっていません（そういうものを「原理」と呼んで、受け入れることにしている、光などはパウリの原理に従わない素粒子もある）。

　最もシンプルな原子は陽子1個と電子1個の水素原子ですが、陽子と電子は正負が異なっていて互いに電磁気的な引力で引き寄せられるのですが、同じ場所にいることはできません。同じ場所にいるのが中性子ですが、水素原子より中性子のエネルギーが大きいため、簡単には電子が陽子と同じ場所にいることができないのです（急な上り坂をボールが勝手に上がって行かないようなもの）。

　中性子がエネルギーが高い証拠としては、単体で放置すると電子を放出して陽子になってしまうことがあります（その陽子は周囲の電子を捕まえて水素原子になる）。エネルギーの低い方向になら、すいすい行ってしまうわけですね（下り坂ならボールは勝手に転がり落ちて行く、みたいなもの）。

　陽子同士は正の電荷ですから斥力が働きますが、陽子と中性子があると、複数の陽子が一つの場所に留まっていられます。中性子と陽子は常に電子をやりとりしていて、中性子が陽子に、陽子が中性子に変わるという現象が起こり続けています。電子をやり取りするということが、斥力の働く陽子同士を一か所で結びつける力になっています（交換力と呼ぶ）。

　原子核では、陽子1個なら電子が落ち込むのはエネルギーが高くてできない、複数の陽子・中性子の原子核なら、中性子の数として許される分、電子は入れるだけ入ってしまっている。

　そのため、原子核の周囲の電子は原子核に落ち込んで行けません。かつ、電子は原子核に近づけるだけ近づいてしまっています。二つの物体間で、接触面の電子同士が押し合っても、原子核が押し返しているわけです。そして、原子核同士は互いの電子を共有するなどして、しっかりした構造を作っています。

　原子核同士がしっかりした構造を作り、その表面にある電子を支えているわけです。ですので、二つの物体表面の電子同士が押し合って反発しても、それ以上に二つの物体が接近することはありません。

　しかし、原子核の周囲の電子の配置は層を成しています。最も外側では空きがあることがあります。そのお蔭で原子が分子を作ることができるのですが、二つの物体を接触させると電子の空きのために充分な反発が生じないことがあります。化学反応がそれを原因として起こりますし、金属同士を非常に強い力で押し付けると一体化してしまうことも起こります（金属の電子の多くが原子核に束縛されていないためですが説明割愛）。

　さらに強い力になると、まず電子の配置が基底状態という、電子が最も原子核に近づいた、原子単体なら非常に温度が低い状態のときの状態になります（普通の状態では。温度に応じて電子が上に行ったり、下がったりする）。大きさは最小の状態です。太陽が燃え尽きると白色矮星というコンパクトな星になりますが、高温なのに重力が強くて原子同士が強い圧力を受けるため、原子が基底状態となってしまうのです。この状態をよく「電子の縮退圧で支えている」と称します。

　さらに強い力で押し付けると（太陽よりもっと大きい星が燃え尽きたときなどに起こる）、電子が原子核の中に追いやられます。追いやられた電子は陽子と結びつき、中性子になります。原子が全部中性子に変わるわけです。それが大きな恒星が燃え尽きてできる中性子星の状況です。この状態を「中性子の縮退圧で支えている」と称します。

　さらに強い力で押し付けると、中性子が壊れてしまいます。中性子より小さな何か（構造がなく物、質と呼べないようなもの）になります。非常に大きな星が燃え尽きたときに起こり、重力崩壊と呼ばれています。そうなったものをブラックホールと呼んでいます。

お礼

大変面白い回答ありがとうございました。

回答者様の科学の知識を共有させてもらいとても読んでいて面白かったです。

ニュートンのように何故物は落ちるのかといった具合に当たり前のことを疑い深く考えて質問すると奥のふかい本質を理解できる回答が来るような気がしてました。これからもこういった普遍的なものを何故と疑問に思う事を大切にしていきたいです

回答No.7

doc_somday

電子にばかり注目した「穏当過ぎる」意見が多い中、#４のお答は勇敢だ、これが「理論に近い」
だが、ご質問者の質問もあまり適切ではない、四つの力を並べてしまった。
最終理論は先が見えないが、それは「弱い力と電気的(磁気的でも同じ)」ファインマン先生と朝永先生が繰り込み理論で二つは何とか説明した、湯川先生が「強い力」を説明された、だが重力が残っている。
ご質問者に責任があるのは
>原子は原子核と電子で出来ている。
と言ってしまったから電子の話ばかりになった。
それはこの際置いておいて、ファインマン先生達が用いた方法論は「マイナス無限大から、マイナス無限大を引くと有意味な値が残る」「繰り込み理論だ」
だが、引力は繰り込めない、反発が起きないからだ。
後から考えると「バカな話しだったか、辛くていまだに怪しい」になるか分からない。
だが、電子の反発などどうでも良いのだ、宇宙空間にはおもちゃがたくさん転がって居る。
星の寿命が尽きると、新星(ノバ)が見え後に白色矮星が残る、パウリの排他律が重力に負けて電子が全て１Sに落ち込むのだ、質量が大きくなると超新星(スーパーノバ)が起こるが、スーパーノバの「残り滓」が中性子星だ、全ての電子が軌道ではなく原子核に落ち込み、何度も話に出たパウリの排他律を最後の壁と突破するだけのエネルギーを得たのだ。だがそれで終わりではない、湯川先生の「強い力、核力」を書き換えるとクォークとグルーオンの世界になる。この先は触れたくない人が多い、正直だと思うが、既に相対論の時代チャンドラセカールは突き詰めると「特定の」半径(質量)を超えた星は自らを支えることが出来なくなり、巨大な放射線を放ちながら、自分自身の中に落ち込むと云う「解(正しいと認められる解釈)」がある事に気付いた、確か指導教官はチャドウィックだと思うが、危険だからと云って公開しない様に命じた、だが結局、オリジナリティー勝負でチャンドラセカールが勝った、この半径をチャンドラセカール半径と呼ぶ、呪われた星は中性子星を超え「ブラックホール」になる。
今回はそこ迄行く必要は無い、電子の反発で満足するか、中性子星を舐めてみる程度で良い、なぜなら中性子星は「充分な質量」が無いと、水素のかたまりに変わってしまう、先程も出たパウリの排他律が勝つからだ。
そうなるとガスになり(実際には電子と陽子の混ざったイオン状態のプラズマ)に変わる。
あなたの場合極端なエネルギーを与えられたガラス玉(私はこの言葉が好き、ヘルマンヘッセのガラス玉演義を想い出すからだ)は一度パウリの排他律を超えるが(なお電子の状態でもパウリの排他律は重要な役目を演ずる、これが無いと全ての電子が１S軌道に落ち込む)、拘束力が足り無いので一瞬中性子のかたまりとなった後、陽子と電子からなるプラズマとなって飛散する。運悪く傍にいたりしたら核兵器の直下に居た様に「蒸発する」
ああ疲れた。ノバとスーパーノバの処で間違って居るかもしれないが、専門は化学だ「許せ」

お礼

奥の深そうな回答ありがとうございます

いっかいでりかいできなかったので繰り返し読ませてもらいます

回答No.6

fxq11011

原子核の周りを電子がまわっている、この速度が半端ではないらしい。
ビー玉をぶつける程度の速度では、高速で通過する電子の合間をすり抜けることは困難。
したがって原子核同士が直接ぶつかることは通常はありません。

お礼

回答ありがとうございます

回答No.5

中村 拓男（@tknakamuri）

電磁力です。

原子核同士を接近させたり接触させたりするには
非常に大きなエネルギーが必要です。

ビー玉を転がす程度では遠く及ばないですね(^^;

お礼

回答ありがとうございます

やはり電磁力でしたか

回答No.3

phosphole

日常的に観察される、モノとモノ同士がめり込んだりすり抜けたりしないという現象に対して、主に効いているのは電磁気力です。
質問者さんは難しく考え過ぎというか、素粒子に働く力を日常（バルクスケール）に持ち込むのはナンセンスです。
弱い力・強い力がそんな簡単に観察される現象なら、物理学の歴史はもっと違ったものだったでしょう。常識を持ってください。
電磁気の力はバルクから原子・分子スケールといったミクロスケールに至るまで支配を及ぼす、非常に強い相互作用です。
物体～分子がお互いにはじきあう・めり込まないのは、物質中に大量に存在する電子同士が反発しあうためです。

お礼

回答ありがとうございます

回答No.2

rabbit_cat

＞ビー玉同士がぶつかった時お互いがはじきあい離れる減少は４つの力のうちどれに当てはまりますか？

電磁気力です。
身の回りにある現象のうち、重力が関係しない現象は、それこそ核分裂のような特殊な現象を考えない限り、ほとんど全てが電磁気力によると思ってよいです。

お礼

回答ありがとうございます

回答No.1

B-juggler

う～んと、そこまで小さく考える必要の無い世界。

と、言ってしまうとそれまでだけど。

分子までで止まるかな、この場合は。

　中性子同士の衝突　とかなら話は別。

４つの力で行けば、この場合はニュートン力学でしかないからね、

重力　正確には　万有引力かな？　力学の法則で話がつくので。

実際、ぶつかって壊れたとしますよ。

この場合は原子が壊れた（原子核が壊れた）わけではないね？

壊れたのは、分子同士の結合がはずれているだけのはずなんだ。

発想は面白い！　こういう発想は大事だよ～。

(=^. .^=)　ｍ（＿　＿）ｍ　(=^. .^=)

お礼

回答ありがとうございました