遷移、励起について

 
<追記・訂正> 下線部を追記又は訂正、電子軌道の図を追加 2011/6/22


化学に興味のない人は、スルーして下さい。

少々マニアックな内容です。
私の頭の整理のため、書いています。
量子化学の世界で観察される現象を、竜巻モデルではどうなるのか、考えています。



原子や分子には、遷移(せんい)とか励起(れいき)とか呼ばれる現象があります。
エネルギーを吸収すると、別の状態に変化するのです。

そして、元に戻るときに、特定の波長の光(電磁波)を放出します。

電子は、下記(2段目)のような電子軌道上を、動いていることになっています。

とはいえ、おそらく実物を見た人は、この世にはいません。
難しい計算式を解いたら、このような答えになった。

そもそも、電子のような小さなモノは、光を媒体にしてみることは、小さ過ぎて不可能なのです。

例えるならば、ドット数の少ないモニター画面のようなものです。
あるかないか、そのくらいまでしか分からない。

疑問なのは、本当にこんな状態なのかということです。
そもそも、生命でないはない電子が、何故こんな複雑な軌道を取れるのか?
しかも、瞬時に軌道を自由に換えることができるのです。

やっぱりおかしいですね。



遷移 (ウィキペディアより)

物理学や化学における遷移
物理学や化学では、物質がエネルギーを吸収(あるいは放出)し、状態が変化することを遷移という。電子がある軌道から別の軌道へ飛び移ること、あるいは価電子帯の頂上から伝導帯の底へ電子が飛び移ることを電子遷移、分子の振動や回転の状態が変化することを振動遷移、回転遷移などという。ヤブロンスキー図などを用いて表現する。



電子軌道 (ウィキペディアより)

spd軌道2



そもそも、水素原子では電子が1個しかない。
普段はs軌道上にある。

それなのに遷移すると、もっとたくさんある軌道(p軌道、d軌道、・・・)へ簡単に移ることができる。
電子の数が足りないのに、簡単に移動するのです。

しかも中央には、原子核があることになっています。
何故、ぶつからない??
(図では、ぶつかっているように見えますが・・・)



リュードベリ定数 (ウィキペディアより)

水素原子のスペクトル
水素原子の線スペクトルについて、

リュードベリ定数

という関係が成り立つ。この時、上式右辺の係数Rがリュードベリ定数である。ここで、λ [m] は光(線スペクトル) の波長、ν [Hz] は振動数、c [m/s] は光速、n, m は適当な整数である (但し、m > n)。

整数nに関して、

n=1、m=2,3,4…: ライマン系列(1906年) (121.6nm 遠紫外線領域)
n=2、m=3,4,5…: バルマー系列(1885年) (656.3nm 紫外可視光領域)
n=3、m=4,5,6…: パッシェン系列(1908年) (1875.1nm 赤外線領域)
n=4、m=5,6,7…: ブラケット系列(1922年) (4050.0nm 近赤外線領域)
n=5、m=6,7,8…: プント系列(1924年) (7460.0nm 遠赤外線領域)
n=6、m=7,8,9…: ハンフリース系列(1953年) (12370nm 遠赤外線領域)
と呼称される。

バルマー系列

水素の輝線スペクトル。4本の輝線は右から、Hα線(赤)、Hβ線、Hγ線(青)、Hδ線(紫)である。
水素の電子軌道とエネルギー差。n=2との差がバルマー系列となる。バルマー系列(バルマーけいれつ)とは水素原子の線スペクトルのうち可視光から近紫外の領域にあるものである。 水素原子の線スペクトルのうち、可視光の領域に現れるものとして以下の4つの線が確認され命名されていた。

バルマー系列2

Hα線:波長656.28nm
Hβ線:波長486.13nm
Hγ線:波長434.05nm
Hδ線:波長410.17nm



元に戻るときに、放出される特定の波長の光(電磁波)。

歴史的には、まず、下記の式が見出され、のちに正しいことが証明されたそう。
いつものように、難しい計算を解いたら、こういう答えが出た・・・。

リュードベリ定数


私がこの式を見て感じたこと。
ああ、やっぱりね。

竜巻モデルで、各軌道のデンシ数の比は、同心円ドーナツの面積比になる。(下図参照)
橙:黄:青:緑=2:6:10:14
以前の記事でこう書いた。

竜巻(上から)3

ちなみに上記式のかっこ内は、[m^2-n^2/(n^2*m^2)]となる。
nとmは、この同心円の半径を示している。
つまり、意味するところは、それぞれの2乗の差である。

これらの2乗は、まさに同心円の面積であり、これらの差が得た(又は失なった)エネルギー量に相当する。
なお、エネルギーを失なう際に放出される光の波長は、式から簡単に求められる。


私の考える竜巻モデルなら、遷移の現象は、下図で簡単に説明できる。
外部からエネルギーを吸収したら、竜巻回転内でのデンシの位置が変わるだけだ。

円錐の容器にボールを入れて、回すとボールは上に上がってくる。
エネルギーを加えると、遠心力で自然にそうなる。
小学生でも分かるだろう。

なお、竜巻モデルの場合は、磁場が強くなることにより、反発して浮き上がる効果も加わる。

竜巻モデル40

このときのボール(デンシ)の動きは、連続している。
いわば、無段変速機のように、瞬時にしかもなめらかに、切り替えることができる。
おそらく、対の竜巻内では、ヨウシも同じようになっているのだろう。


でも、先のウィキペディアの図にある電子軌道なら、簡単にはいかないはずだ。
それぞれが、独立した形になっている。

そもそも、中央に原子核があることになっている。
ウィキペディアの図では、s軌道以外は、どう見ても電子と原子核がぶつかっているように見えるが、ぶつからないことになっている。

そのうえ、たった1つの電子が、特にd軌道の左上のような複雑な軌道に、瞬時にして移り変わるというのは、どう考えても無理があろう。

上図にはないが、f軌道になるともっと複雑になる。
とてもできるとは思えない。
ちなみに、各軌道の一覧は、こんなものだそうだ。

atomic orbitals

原子番号の大きな原子では、これらのたくさんの電子軌道が、同じ原子内で共存していることになっている。
何故、お互いの電子はぶつかり合わない??




何か、いまの量子化学、テーマというか視点というか、細かくし過ぎてお互いがよく見えていない状況のように思えますね。

都合が悪くなったら、つじつま合わせのルールが必要になる。
何とかの定理だとか、何とかの法則だとか、とにかくやたらと多い。
それで煙に撒いている。

しかも、各理論の整合性も非常に悪い。
以前に記事にも書いた。

そろそろ、変だと気付いたら良かろうにと思いますが。
でも専門家になればなるほど、おかしいと思わなくなるんでしょうな。

 
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