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解決済みの質問

金属に強烈な電気を近づけるとどうなるか?

金属に思いっきり強烈な電気を近づけると、金属はどうなるのでしょうか?但し、電気と金属と接触させないようにし放電もさせないようにします。

投稿日時 - 2012-10-03 22:34:52

QNo.7730755

暇なときに回答ください

質問者が選んだベストアンサー

 お礼、ありがとうございます。h束、承りました。#7他です。

 エネルギー領域としてどの範囲まで拡張をお考えかは、よく分かりませんが、とりあえず粒子加速実験器のレベルで申しますと、理論と実験の双方において、原子核の変形を仮定することはありません。

 原子の大きさに対して、電子は大きさ0ですが、原子核もごく小さな物で、その大きさのほとんどは電子雲によるものです。

 原子核においては陽子が2個以上の場合には、けた外れに大きい電磁気力による反発があるわけですが、核力による結合が非常に大きく、たとえば原子核物理学等の分野でも、原子核内では電磁気力を考慮する必要が、事実上ありません。

 もし、原子核外の遠距離力により原子核の変形があるとすると、粒子加速実験器では、それをも考慮せねばなりませんが、さらに大型の実験器の建設計画中のものを含めて、粒子子加速・衝突実験で、そういう原子核の歪みを考慮、もしくは利用を考慮したもの、しようとしているものはありません。

 原子核が壊れるほどでない白色矮星でも、重力による原子核の変形は考慮されませんし、さらに元の恒星質量が大きく、重力が大きく、超新星爆発による爆縮が電子の縮退圧を超え、電子が陽子に捕獲される中性子星への移行でも、原子核の変形ということは考慮されていません。

 また、粒子加速器実験では、素粒子レベルのブラックホールが発生しているとすいていされる程度の高エネルギーがあります(恒星の激変と比べて高いかどうかは別の話になりますが)。

 もちろん、実際には原子核の変形があるのかもしれません。ここまでの回答では、考慮する必要があるか否かの観点で回答しました。この回答もそういう観点になります。

 原子核の形状を精密に観測できると仮定して、実際に上記のような高エネルギー領域で、あるいは原子核を壊さずに、さらに高いエネルギー領域を考慮してどうなるかは、そういう方向での研究がなされていないので、私は分かりかねます(研究者でも何でもない、数学下手の物理横好きでしかないので)。

 逆に申しますと、内部矛盾といった不合理なものがなく、これまでの実験・観測事実の物理学の説明に抵触しないなら、原子核形状と変形のの仮説を立てる自由度は非常に大きいでしょうね。

投稿日時 - 2012-10-08 14:35:20

お礼

お返事有難う御座います。

>もちろん、実際には原子核の変形があるのかもしれません。ここまでの回答
>では、考慮する必要があるか否かの観点で回答しました。この回答も
>そういう観点になります。

閉じた系の中で単純に考えた場合、超高圧の電圧を印加すると原子核が変形する
しか無いと考えます。

P4のLorentzの局所電場の式は、原子核が変形することを示していると考えます。
Fは局所電場、Eは外部電場ですが、Eをどんどん上げていくと、Fもどんどん
上がっていくことになります。
「電子分極」とは別の言い方をすれば、「原子核の移動」を示すはずです。
Eを上げていくと、最初「電子分極」すなわち「原子核の移動」が発生して、
更に無理やりEを上げていくと、その次に発生するのが、「原子核の変形」しか
無いと考えます。

http://www003.upp.so-net.ne.jp/asami/DS.pdf#search='%E9%9B%BB%E5%AD%90%E5%88%86%E6%A5%B5'

地上では、原子核が変形するぐらいの超高電圧を作るのは、困難だと思われます。
しかし、宇宙の天体では、十分あるはずです。
星が電磁場の変動等により、局所的に超高電圧になり、原子核が変形→励起→基底状態になる際、ガンマ線が放出しても、全く変な話だと思いません。
ブラックホールや中性子星が存在する位なら、スケール的にあっても
不思議ではないはずです。それらの事例を探してみます。
お世話になり、有難うございました。

投稿日時 - 2012-10-08 19:55:32

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回答(8)

 補足、承りました。#6他です。

 もし、そうした極限的なまでに高エネルギーという条件でお考えですと、いったん遠回りのようですが、たとえばプラズマなどからお調べになられますと、参考になる知見が見つかるのではないかと思います。

 そうなさるのであれば、この質問もだいぶ下がってきたことですので、得た知識での条件などを加えて、新たに設定した質問をされると、良い回答が集まるのではないかと思います。

投稿日時 - 2012-10-07 13:04:54

補足

お返事有難う御座います。

>もし、そうした極限的なまでに高エネルギーという条件でお考えですと、
>いったん遠回りのようですが、たとえばプラズマなどからお調べに
>なられますと、参考になる知見が見つかるのではないかと思います。
爆縮と言えば、レーザ核融合。レーザ核融合と言えば、プラズマ。
実は、レーザ核融合の理論は、ある程度調べました。結論=答えが出ない。
レーザ核融合の爆縮は、今のケースに当て嵌まらないです。
今の場合、爆縮させるのは「電荷」、核融合の場合「レーザ=光子」
衝撃波もある程度、勉強しました。当て嵌まる文献が無いです。

結論として、とにかく、単純にモデル化して、単純に確認することが、まず必要と考えます。
金属を強烈な電荷でサンドイッチ(爆縮)すれば、移動することも出来ず、電子雲の形状に従って、原子核は変形するしか無いと考えます。
この答えは、「実験しないと誰も解らない。」と思っております。理論的に答えは○○であると証明できれば、それを教えて頂きたいです。

投稿日時 - 2012-10-07 13:39:44

お礼

プラズマで考えました。
1.プラズマ状態になっていまい。原子核は変形しない。→原爆は、爆縮により、UやPuが中性子を吸収して、核分裂してます。今回のケースでも、爆縮により、原子核が一旦変形して、ガンマ線を出した後、プラズマになると考えます。
2.地上で、この実験をしなくても、電荷を帯びた星が自重で崩壊して、それなりにガンマ線を放射しているものがあるのでは?と考えました。

投稿日時 - 2012-10-07 14:10:11

> 電圧が増大していくと、上記のような変化が大きくなっていきます。ついには、原子は形状を保っていられず、電子雲は原子核を離れて正極に吸い込まれ、原子核は負極に付着するでしょう。原子核の変形はありません。

>原子核が裸になって負極に付着するのでしょうか?それは無いと思います。

 単独の原子であれば、割合簡単です。金属ではないですが、水中には陽子がうようよいます。

>自由電子は、どこかに行きますが、それ以外の軌道電子は、定位置にいるでしょう。

 金属結合しているなら、全てが自由電子です。

>原子核に影響がないと言える根拠は何でしょうか?サンドイッチにされれば、移動することも出来ず、電子雲の形状に従って、原子核は変形するしか無いと考えます。

 核力が硬くて脆いからです。原子核は形を変えないか、崩壊するかです。

 電子雲の形状は、原子核(電子雲からすれば点にも等しいくらい小さい)と周囲の電磁場による力によって決まります。

投稿日時 - 2012-10-06 12:55:41

補足

お返事ありがとう御座います。
> 核力が硬くて脆いからです。原子核は形を変えないか、崩壊するかです。
U235に熱中性子を照射すると、複合核U236になって核分裂します。
U238に熱中性子を照射すると、複合核U239になっても、結合力が強いので核分裂しないです。放射線を出して、安定したはずです。(本題と異なるので、ちゃんと調べていないので正確ではありません。)
この辺りは、概算になりますが、ボーア=ウィラー理論によって求められます。
液滴模型と呼ばれるものです。原子核の表面張力とクーロン力との釣り合いで形を保っているはずです。
http://www.nucl.phys.tohoku.ac.jp/~hagino/lectures/nuclphys2/fission.pdf

硬くて脆いというと、「銑鉄」を思い浮かべますが、原子核はもっと硬いとは思います。しかし、いきなり崩壊=分裂はしないと考えます。
結論
私の考えは、金属を強烈な電荷でサンドイッチすれば、移動することも出来ず、電子雲の形状に従って、原子核は変形するしか無いと考えます。
具体的な実験方法は、例えば、ウラン等の不安定な金属球の周りを電子で帯電させて、周りに爆薬を設置して、爆縮すれば良いと考えます。電荷による強烈な電圧で原子核は変形して、励起状態になり、瞬時に基底状態になるときに、ガンマ線を放出するはずです。電気と原子力のコラボです。

投稿日時 - 2012-10-06 22:45:24

お礼

ガンマ線バーストを調べました。詳細な発生機構についての合意は得られていない。ということです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%83%B3%E3%83%9E%E7%B7%9A%E3%83%90%E3%83%BC%E3%82%B9%E3%83%88
当初、帯電した星が自重で爆縮した際、ガウスの法則に従い、超高電圧になり、ガンマ線を放射するのでは?と考えました。しかし、天体という、ドデカイスケールでは、爆縮なしでも、簡単に電磁場から、超高電圧が得られるはずです。
ガンマ線バーストの原因は、星が電磁場の変動等により、局所的に超高電圧になり、原子核が変形→励起→基底状態になる際、ガンマ線が放出するのでは、と考えます。

投稿日時 - 2012-10-08 07:53:31

>1.(a)電子分極の図のようにコンデンサーに電荷を帯電させると、図の赤い金属は静電誘導により分極します。この際、金属の中心すなわち原子核の位置は、電圧印加前と印加後では、移動して変化するのでしょうか?この図では、若干左に移動しているように見えます。

 原子核の周りには電子が雲のように確率的に分布していることはご存じだと思います。さまざまな形状がありますが、球状としておき、通常は球の中心に原子核が位置するとましょう。

 電子雲は正極に引かれ、負極には反発します。原子核は逆です。この力が釣り合いの状態にあるとしましょう。

 原子核に対して、電子雲は原子核に対して正極側に移動します。楕円球に変形することもあり得ます。原子核は形状は決して変わらず、電子雲に対して負極側に移動します。

>2.コンデンサーから放電しないものと仮定して(思考実験)、どんどん電圧を印加して静電気量を増やしていくと、原子核の位置はある程度で限界になり、それ以上移動できなくなります。その後は、原子核は変形するのでしょうか?

 電圧が増大していくと、上記のような変化が大きくなっていきます。ついには、原子は形状を保っていられず、電子雲は原子核を離れて正極に吸い込まれ、原子核は負極に付着するでしょう。原子核の変形はありません。

>3.(a)電子分極の図は、マイナスとプラスで、挟んでいますが、仮にマイナス同士の電荷で挟んだ場合、強烈な力で締め付ければ、原子核は縦に変形するのでしょうか?

 電子雲は縦に変形します。電圧が高いほど、縦長になります。原子核には影響はありません。

 2.においても同様ですが、もし原子核が変形するとすれば、それは原子核が崩壊するときと考えて差し支えありません。

投稿日時 - 2012-10-05 04:43:42

補足

お返事有難う御座います。

> 2.においても同様ですが、もし原子核が変形するとすれば、それは原子核が崩壊するときと考えて差し支えありません。
原子核の研究は、複雑で未だに研究中だと思っています。仮に単に変形しただけで、核分裂するか否かは、言えないと考えます。変形して核が励起状態になっても、ガンマ線等を出して、基底状態になる方が多いと考えます。従いまして、核分裂していないから、原子核が変形していないというお考えは、正しくないと考えます。

http://www.nucl.phys.tohoku.ac.jp/~hagino/lecture2/niigata08.pdf


> 原子核に対して、電子雲は原子核に対して正極側に移動します。楕円球に>変形することもあり得ます。原子核は形状は決して変わらず、電子雲に対し>て負極側に移動します。

弱い電荷の場合は、その通りだと思います。

> 電圧が増大していくと、上記のような変化が大きくなっていきます。つい>には、原子は形状を保っていられず、電子雲は原子核を離れて正極に吸い込>まれ、原子核は負極に付着するでしょう。原子核の変形はありません。

原子核が裸になって負極に付着するのでしょうか?それは無いと思います。
自由電子は、どこかに行きますが、それ以外の軌道電子は、定位置にいるでしょう。


>電子雲は縦に変形します。電圧が高いほど、縦長になります。原子核には影響はありません。

原子核に影響がないと言える根拠は何でしょうか?サンドイッチにされれば、移動することも出来ず、電子雲の形状に従って、原子核は変形するしか無いと考えます。

投稿日時 - 2012-10-06 10:20:29

ANo.4

電荷の周りには必ず電磁場が出来る。

違います。
電荷の周りには、電場ができます。
電場が動くと(=電荷が動くと)磁場ができます。

1.(a)電子分極の図

これらは全体として「電気を通さない物はみんな誘電体」の話をしています。
つまり 電気を通す金属は誘電体ではありません。
なので、図の原子核や電子を、金属に関して考えてはいけません。
金属の中は(電気を通すので)電位差はありません。

http://ir.nul.nagoya-u.ac.jp/jspui/bitstream/2237/16108/24/%C2%A78%E5%B0%8E%E4%BD%93.pdf

図8-1 参照

なので、 2 やら 3の思考実験は成立しない。

投稿日時 - 2012-10-05 00:10:51

補足

お返事有難う御座います。
>なので、図の原子核や電子を、金属に関して考えてはいけません。
>金属の中は(電気を通すので)電位差はありません。

キッテルの「固体物理学演習」P277に導電性球の分極率を求める方法が記載してあります。
→ローレンツの関係式を使って求めています。
またある教科書には、Na,Kの分極率も載っています。残念ながら、HPではNa,K等の分極率を記載したものが、見当たりません。
金属は、電子分極します。
http://www.ee.knct.ac.jp/teachers/takakura/zairyo/chapt2.pdf#search='%E9%9B%BB%E5%AD%90%E5%88%86%E6%A5%B5++%E5%8E%9F%E5%AD%90%E5%88%86%E6%A5%B5'

>なので、 2 やら 3の思考実験は成立しない。
したがって、成立します。

>電荷の周りには、電場ができます。
>電場が動くと(=電荷が動くと)磁場ができます。

特殊相対論を考慮すると、電磁場で良いと思います。

http://homepage2.nifty.com/eman/relativity/birth.html

投稿日時 - 2012-10-06 09:58:54

お礼

冷静に考えると、ご回答はすべて正しいです。
身勝手な屁理屈ばかり、申し上げて誠に申し上げ御座いません。
お世話になり、有難うございました。

投稿日時 - 2012-10-08 19:55:09

 静電気であれば、それが雷と避雷針の関係なんですよ。尖端放電現象と呼ばれています。

 例えば、上空がプラスに帯電しているとします。金属は上空に近いほうがマイナスの電荷(電子ですね)が集まってきます。反対側はプラスの電荷(電子の不足ですね)が多くなります。

 ここで金属を大地に接続、つまりアースしてやります。大地は無尽蔵に電荷を吸い取ったり出したりできます。

 上空のプラスの帯電が強くなってくると、金属からマイナスの電荷である電子が上空に吸い出されるようになります(上空がマイナスなら、上空から電子が金属に吸い込まれる)。

 これは、金属が細く尖っているほど、金属に電荷が集まる効果が大きくなります。だから避雷針は、細い棒を使い、しかも先になるほど尖っているんですね。

 避雷針に激しい落雷が起こるずっと前から、避雷針は人知れず静かに、雷雲をできるだけ弱めているわけです。

投稿日時 - 2012-10-04 06:04:27

補足

お返事有難う御座います。

>静電気であれば、それが雷と避雷針の関係なんですよ。尖端放電現象と呼ばれています。
そうなんですか。物理現象はバラエティーで面白いですね。
でもそれを単純化して本質を見つけるのが、物理学ですが、、、

尖端放電現象の仲間の静電誘導について教えて下さい。
下のHPを見ますと、図1 分極のいろいろ とあります。
この図の(a)電子分極が気になります。
http://hr-inoue.net/zscience/topics/dielectric1/dielectric1.html

以下を教えて下さい。
1.(a)電子分極の図のようにコンデンサーに電荷を帯電させると、図の赤い金属は静電誘導により分極します。この際、金属の中心すなわち原子核の位置は、電圧印加前と印加後では、移動して変化するのでしょうか?この図では、若干左に移動しているように見えます。
2.コンデンサーから放電しないものと仮定して(思考実験)、どんどん電圧を印加して静電気量を増やしていくと、原子核の位置はある程度で限界になり、それ以上移動できなくなります。その後は、原子核は変形するのでしょうか?
3.(a)電子分極の図は、マイナスとプラスで、挟んでいますが、仮にマイナス同士の電荷で挟んだ場合、強烈な力で締め付ければ、原子核は縦に変形するのでしょうか?

投稿日時 - 2012-10-04 23:30:54

ANo.2

金属に電磁場を近づけると

電磁誘導が起こる

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E8%AA%98%E5%B0%8E

「電磁誘導(でんじゆうどう、英: electromagnetic induction[1])とは、磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差(電圧)が生じる現象である。また、このとき発生した電流を誘導電流という。」


電荷を近づけるのと、電磁場を近づけるのは、具体的にどのように違うのでしょうか?

電荷を考える場合 それは静電気の話
電荷を動かす力が 電磁場

投稿日時 - 2012-10-03 23:35:03

補足

お返事有難う御座います。

>電荷を考える場合 それは静電気の話
>電荷を動かす力が 電磁場

そうなんですか。電荷の周りには必ず電磁場が出来る。したがって
(1)電荷での静電誘導;電荷→電磁場→(金属の)電荷
(2)電磁場の相互作用;(どこかに電荷の元になるものがあり)電磁場→(金属の)電荷
なので、「同じもの」のような気がしないことも無いです。
結局は、電子と光子の相互作用によるものなのですね。
この点は、わかりました。

本題を静電誘導に戻します。
下のHPを見ますと、図1 分極のいろいろ とあります。
この図の(a)電子分極が気になります。
http://hr-inoue.net/zscience/topics/dielectric1/dielectric1.html

以下を教えて下さい。
1.(a)電子分極の図のようにコンデンサーに電荷を帯電させると、図の赤い金属は静電誘導により分極します。この際、金属の中心すなわち原子核の位置は、電圧印加前と印加後では、移動して変化するのでしょうか?この図では、若干左に移動しているように見えます。
2.コンデンサーから放電しないものと仮定して(思考実験)、どんどん電圧を印加して静電気量を増やしていくと、原子核の位置はある程度で限界になり、それ以上移動できなくなります。その後は、原子核は変形するのでしょうか?
3.(a)電子分極の図は、マイナスとプラスで、挟んでいますが、仮にマイナス同士の電荷で挟んだ場合、強烈な力で締め付ければ、原子核は縦に変形するのでしょうか?

投稿日時 - 2012-10-04 23:25:28

ANo.1

電気だと物理的には何のことかわからない。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B0%97
「電気(でんき、英: Electricity)とは、電荷の移動や相互作用によって発生するさまざまな物理現象の総称である。それには、雷、静電気といった容易に認識可能な現象も数多くあるが、電磁場や電磁誘導といったあまり日常的になじみのない概念も含まれる。」

総称だから。

電荷だとするれば、静電誘導が起こる
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%99%E9%9B%BB%E8%AA%98%E5%B0%8E

投稿日時 - 2012-10-03 22:51:37

補足

お返事有難う御座います。

>電気だと物理的には何のことかわからない。
言葉を知らなくて、すいません。
電荷を近づけるのと、電磁場を近づけるのは、具体的にどのように違うのでしょうか?

>電荷だとするれば、静電誘導が起こる
金属に電磁場を近づけるとどうなるのでしょうか?

投稿日時 - 2012-10-03 22:59:20

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