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逆に電子の自転・公転説。


逆に電子の自転・公転説。

こっちの方が一般的に広まってるというか教えられてる考え方なのかな?

メモ。


液晶テレビ技術研究室 - 電子のスピン
http://lcdtech.seesaa.net/article/77020507.html

電子のスピン

前回は、電子殻と電子の軌道について解説しました。
今回は、電子のスピン(自転)について解説します。
電子は、原子核の周囲を公転しているだけではなく、自転もしています。
自転の向きは、右向きと左向きの二通りだけです。
物理化学などの文献を参照すると、↓を書いた場合、右回りを指し、下向きスピンと呼ばれ、↑を書いた場合、左回りを指し、上向きスピンと呼ばれます。
前回の電子殻と電子の軌道で、電子にはたくさんの電子殻と軌道があり、軌道ごとに一番エネルギーが低い状態が1つ対応していることを解説しました。
例えば、K殻のs軌道なら、1sという状態が1つだけあり、軌道は1つだけで、L殻のp軌道なら2pという状態が3つあり、軌道も3つあり、M殻のd軌道なら3dという状態が5つあり、軌道も5つあることになります。
1,3,5,7,... と奇数の数になります。
K殻以外は、軌道がたくさんあります。
例えば、N殻ならs軌道、p軌道、d軌道、f軌道まであり、それぞれ細かい軌道に細分化されています。
わからなくなったり、忘れてしまった場合、電子殻と電子の軌道の記事を見直して思い出して下さい。
この下向きスピンで自転する電子と、上向きスピンで自転する電子の一つずつしか各状態に収まることはできないという規則があります。
この規則をパウリの原理またはパウリの排他原理と言い、スイスのヴォルフガング・パウリが提唱しました。
つまり、同じ向きにスピンする電子が2個入ることはないということになります。
1sでは、上向きスピンと下向きスピンで自転する2つの電子が入ります。
2pでは、上向きスピンと下向きスピンで自転する電子が二つずつ対になって3つの軌道に入れるので、6個まで入ります。
例えば、上向きスピンで自転する電子が1つの軌道に2個入ったりすることはできません。
「電子殻と電子の軌道」でも解説しましたが、1s,2s,2p,3s,3p,3d,... という各軌道の名前に付いている数字は量子数を示しています。
量子数についてもう少し詳しく解説すると、量子数を4つに分類することができ、以下のようになります。

主量子数 :
 前述の量子数に相当し、K殻、L殻、M殻、... の違いを表す数

方位量子数:
 s,p,d,f,... の違いを表す数で、s状態では0、p状態では1、d状態では2、f状態では3というようになります。

磁気量子数:
 2p,3p,3d,... などの軌道はさらに細分化されていて、2pや3pなどでは3つの軌道があり、3dなどでは5つの軌道があるので、この細かい軌道を表す数になります。


ところで、電子のスピンにはおもしろい性質があります。
これを説明するため、ここでちょっと磁石についても少しだけ解説したいと思います。
強い磁性を示す物質として、黒い色をした磁鉄鉱(天然磁石)という鉱物の一種や鉄などがあります。
磁鉄鉱は、天然の磁石として鉄にくっつくのが特徴です。
磁石にくっつく金属には、鉄以外にコバルトやニッケルがあります。
この3つだけが磁石になり得る物質です。
これらは、強磁性体と呼ばれます。
103個もある元素の中で、この3つの元素だけが磁石になれるとは何とも不思議です。
磁石の性質である「くっつく」という働きについて、もう少し深く考えてみましょう。
原子内部の電子の動作が関係してきます。
くっつく(磁石になれる)か、くっつかない(磁石になれない)か、という性質は、電子のスピン(自転)が関係してきます。
他のページで原子や電子について解説しましたが、電子は原子核の周りを回っています。
つまり、公転しています。
それだけではなく、自転もしています。
これは、惑星運動に良く似ています。
電子はマイナスの電荷を持っているので、電子がスピンすると電荷もぐるぐる回ることになり、これによって磁場が発生し、磁石として機能します。
電子のスピンは、強磁性体を生み出す源になっています。
強磁性体は、モーターの内部、テープレコーダー、HDD(ハードディスクドライブ)など、磁気を持った記録装置で役立っています。
それなら、どんな原子も磁気を持っていそうな感じがします。
しかし、実際には磁石になる原子は限られています。
ほとんどの原子の内部は、右回転の電子と左回転の電子のペアになっています。
電子の数は原子によって異なりますので、偶数個の電子を持ちます。
自転方向が異なる電子同士、つまり左回転と右回転の電子のペアでは、磁力を打ち消し合って、くっつかないという状態になり、結局磁石になれません。
ところが、打ち消しきれずに余った電子のスピンがあると、原子自体が磁石としての性質を持ちます。
つまり、くっつくことになります。
鉄とニッケルとコバルトの場合、3d軌道と呼ばれる電子の軌道に余った電子のスピンがあります。
つまり、前述のようにペアを持たないシングルの電子が残っていると、この電子のスピンの力によって原子自体が磁気を帯びることになります。
電子って不思議なおもしろい物質ですよね。
電子と磁石との不思議な関係もおもしろいです。

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