破壊学事始

量子力学の発端は、ボーアの原子模型です。原子核の周りを電子が回っていると言う、仮説です。物質を構成する原子は、中心に核を持ち、周囲を電子が回っているのではないかと推測されました。ところが、この原子模型には古典力学では説明のできない欠陥がありました。

原子核の電荷は＋、電子の電荷はーです。原子核と電子は引き合います。そのため電子は原子核の周囲回ることで、原子核に落ちないように、遠心力が必要になりました。ところが、電子が回転するという状態は、電子が電磁波を放出するため、エネルギーを失って、原子核に落ちていく、と言う欠陥があったのです。

じっさいの電子は原子核に落ちていきません。そのため、この状態を説明するために、２つのことが主張されました。電子は波の状態で存在する＝ドブロイ波、また電子の取る軌道、すなわちエネルギーは飛び飛びの値をとる＝量子化の２つです。

この２つの条件を数式で表すために波動関数が導入されました。古典物理で物質の状態を記述するとき、運動法的式が使われます。運動の状態は、時間、空間、質量などによって定められ、結果は確定されます。ところが波動関数を使うことで、状態は確率的になって、結果もひとつに定めることが不可能になります。電子1個を扱う場合でも、統計的にしか扱うことができなくなるのです。

そのため、二重スリット問題、不確定性原理、シュレディンガーの猫といったさまざまな現象、矛盾が現れてきました。元をただせば、ボーアの原子模型で電子が周回するという現象を説明するために生まれたものです。量子力学が一見成功しているように見えるのは、統計力学を含んでいるからです。ボーズ凝縮、トンネル効果などは、大量の粒子を対象にした現象です。統計力学を含んだ量子力学は、マクロカノニカルでは、かなり正確に現象を記述することができるのです。

もういちど考えて見ます。ボーアの原子模型では、原子核の＋と電子のーがクーロン力で引き合っているために、遠心力が必要とされたのです。このクーロン力が及ぶ状態をあらわす電気力線は、マクスウェルが説いたものです。マクスウェルは＋とーの電気力線は途中で中和すると考えました。しかしもともとの電気力線を考案したファラデーは、電気力線は＋、－が中和しないで、まっすぐに対象に届くと考えていたのです。

つまり原子核にマイナスの電荷があれば、電子は原子核の周りを回らなくてもよくなります。マイナス同士で反発するからです。マイナスは中性子が持っています。中性子は単独でいると約15分くらいで、陽子と電子に崩壊します。中性子は陽子と電子がくっついたものと考えられます。むしろ、原子核は陽子と陽子が電子で直接くっつけられた状態と考えたほうが合理的です。原子核内部にマイナスの電荷があるため、軌道上に電子をつなぎとめておくことが可能になります。陽子のプラスで引き付け、原子核内の電子のマイナスで反発する。軌道上の電子はゆるく原子核の＋－につながれているのです。

静的原子模型では、原子核の構造が軌道上の電子を規定します。核分裂、核融合といった核変換は、陽子と陽子の組み合わせで説明できます。もう少し俯瞰して原子の構造を考えると、陽子と電子が自然に結合すると、軌道上に電子を抱える構造が出来上がるということです。この構造はかなり複雑な形態をとるようです。原子番号が4のBeまで原子核の構造を考えてみましたが、原子番号が5のBになると陽子と電子の組み合わせが急に複雑になって、手に負えなくなってきます。B以上の元素に関しては少し時間がかかりそうです。

追記：後に陽子がニュートリノの照射を受けてガンマ線を放射する陽子振動が、電子軌道を作っていることがわかった。