竜巻モデルの実証法 (その2)

 
核磁気共鳴分光法。
一般の人には聞きなれない言葉だが、有機化学の世界では、構造解析に必須な分析法の1つである。

同じ原理で医療用に作られたのがMRIである。
こちらなら知っている人も多くいるだろう。

基本的な原理もそこそこにして、私もNMRを長年取り扱ってきた。
だが、いまあらためてこの基本原理を考えると、この中にも大きな矛盾点、不合理な点があることに気付く。




核磁気共鳴 (ウィキペディアより)

核磁気共鳴(かくじききょうめい、NMR、Nuclear Magnetic Resonance) は外部静磁場に置かれた原子核が固有の周波数の電磁波と相互作用する現象である。

概略

原子番号と質量数がともに偶数でない原子核は0でない核スピン量子数 I と磁気双極子モーメントを持ち、その原子は小さな磁石と見なすことができる。磁石に対して磁場をかけると磁石は磁場ベクトルの周りを一定の周波数で歳差運動する。原子核も同様に磁気双極子モーメントが歳差運動を行なう。この原子核の磁気双極子モーメントの歳差運動の周波数はラーモア周波数 (Larmor frequency) と呼ばれる。この原子核に対してラーモア周波数と同じ周波数で回転する回転磁場をかけると磁場と原子核の間に共鳴が起こる。この共鳴現象が核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance、略してNMR)と呼ばれる。

(下線部注:陽子数と中性子数の合計が奇数と言いたいものだと思われる)

磁場中に置かれた原子核はゼーマン効果によって磁場の強度に比例する、一定のエネルギー差を持った 2I + 1 個のエネルギー状態をとる。このエネルギー差はちょうど周波数がラーモア周波数の光子の持つエネルギーと一致する。そのため、共鳴時において電磁波の吸収あるいは放出が起こり、これにより共鳴現象を検知することができる。

応用

核磁気共鳴は発見当初は原子核の内部構造を研究するための実験的手段と考えられていた。しかし、後に原子核のラーモア周波数がその原子の化学結合状態などによってわずかながらも変化すること(化学シフト)が発見された。これにより核磁気共鳴を物質の分析、同定の手段として用いることが考案された。このように核磁気共鳴によるスペクトルを得る分光法を核磁気共鳴分光法 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) と呼ぶ。核磁気共鳴分光法のことも単に NMR と略称する。

核磁気共鳴において共鳴の緩和時間はその原子核の属する分子の運動状態を反映する。生体を構成している主な分子は水であるが、水分子の運動はその水分子が体液内のものか臓器内のものかによって異なるよってこれを利用して体内の臓器の形状を知ることが可能である。これをコンピューター断層撮影法に応用した方法が核磁気共鳴画像法 (MRI) である。





私自身は使ったことがないのだが、電子スピン共鳴分光法(EPR)という分析法がある。
こちらは不対電子の検出に用いられる。
すなわち、同一軌道内に電子が奇数個ある場合、シグナルが検出される。



電子スピン共鳴

電子スピン共鳴(でんしスピンきょうめい: Electron Paramagnetic Resonance、 略称EPR、Electron Spin Resonance、 略称 ESR)は不対電子を検出する分光法の一種。遷移金属イオンもしくは有機化合物中のフリーラジカルの検出に用いられる。

解説

磁場の影響下に置かれた試料中の不対電子は、ある特定のエネルギーを持つ(周波数の)マイクロ波を吸収し、高いエネルギー準位へと遷移する。この現象を利用することで不対電子の検出を行うのが電子スピン共鳴である。 原理から想像される装置の構造は、ある特定の磁場に置かれた試料に対し、照射するマイクロ波の周波数を連続的に変化させる物である。しかしながら、装置が考案された当時マイクロ波の周波数を連続的に変化させる機構の利用は困難であったため、一定の周波数のマイクロ波を試料に照射し、試料に与える磁場を電磁石を用いて連続的に変化させる装置が開発された。現在のESR測定装置もこの形式を採っている。

安定な不対電子を持つ無機試料などでは常温で検出されるが、ライフタイムの短い不対電子の検出には液体窒素(77K)や液体ヘリウム(4.2K)を用いて試料を冷却する温度調節装置(クライオスタット)を用いて検出を行うことも有る。

検出されたシグナルの同定には、照射されたマイクロ波の周波数と、シグナルが検出された磁場の強度から算出されるg値が用いられる。

不対電子の検出法としては非常に有効であるが、たいていの安定な有機化合物は閉殻構造をとっており不対電子を持たないので、EPRは核磁気共鳴 (NMR) に比べると適用範囲が狭い。

この手法の最も基本的な物理的概念はNMRと同様であるが原子の核スピンの代わりに電子のスピンが励起される。原子核と電子とでは質量が異なるため、NMRに比べ低磁場、高周波数で測定が行われる。磁場が0.3テスラの場合、スピンの共鳴は10GHzで起こる。





NMRとEPR。
測定対象が、一方は原子核(陽子+中性子)であり、一方は電子であるが、これらの分析法は、基本的に同一原理なのである。
磁場の中で、電磁波を吸収するというものである。

これは、原子核も電子も、原子内で立体的に同じような配置をとっていることの証(あかし)であろう。
一方では原子の中央で動かずに存在し(原子核)、また一方では高速で飛び回る(電子)ことから、両者の辻褄合わせのために「スピン」なる言葉を作っているように思える。

余談だが、実際に電子がスピンしている状態とは、具体的にはどういうイメージなのか、答えられる人はいないだろう。
既存の理論(原子モデル)では、そもそも、電子は今どこにいるかすら分からないものなのだ。
場所さえ特定できないものが、そこでどのようにスピンしているかなんて、分かる訳がない。





さて、基本的な原理もそこそこにして、私もNMRを長年取り扱ってきた。
だが、いまあらためてこの基本原理を考えると、この中にも大きな矛盾点、不合理な点があることに気付く。

そもそも、原子核に磁気があるという点が、まず挙げられよう。
現在の量子化学によると、原子核は原子の中央で止まっているはずなのである。

それだと説明できないので、特定の原子核にだけ磁気があることにしてしまった…。

この点は、普通の磁石での説明と同じように、釈然としないのである。
動かないはずのものなのだが、動いていることにしなくてはならないので、核スピンという概念を持ち込んだ。
でも、動かないものも同時に認めなければならないから、話がややこしくなってきた。

「群盲象を撫でる」とでも言えようか?
並べてみると、互いの辻褄が合わなくなるのである。

本来、磁場と電場は一体のものであり、片方だけを切り出すことはできない。
そして、そのどちらかがあるということは、その物体(原子核)は動いているはずなのである。

同じ元素(原子)であっても、同位体によっては、核磁気があったりなかったりする。
陽子数と中性子数の合計が奇数の原子核だと核磁気があるが、そうでない場合はない。
たとえば、水素(1H:奇数)にはあるが、重水素(2D:偶数)にはない。

つまりまとめると、水素(1H)の原子核は歳差運動をしているが、重水素(2D)の原子核は歳差運動をしていない。
歳差運動をするもの(1H)は電磁波を吸収するが、歳差運動をしないもの(2D)は電磁波を吸収しない。
(歳差運動とは、地球の自転軸のように、倒れかけたコマがその首を振る現象である)

これでは、同じ元素でありながら、同じ元素ではなくなるではないか。
物性が大きく違うことになってしまう。

説明は磁気があるかないかまでであり、そこから先の説明がない。
この矛盾点については、合理的な説明がないのである。



一方、私の解釈はこうである。
水素にも重水素にも、原子核に相当する部分(ヨウシ)に磁気がある。
両者とも、回転しているからである。
(ただし、重水素中のチュウセイシにはない)

だが、電磁波の吸収性に差があるのである。
水素では吸収し、重水素では表面上は吸収しない。
こう考えると理解しやすい。

ここで重水素では表面上吸収しないと述べた理由はこうである。
竜巻(上から)3

上記同心円の最内殻(橙色部分)が水素、重水素の軌道である。
この軌道でのヨウシの許容数は2つまでである。

水素の場合はヨウシだけが、重水素の場合はヨウシとチュウセイシが回っている。
電磁波を受けた場合、吸収(=振動)するのは、これらのリュウシである。

ひもを張ったとして考えてみよう。

水素の場合は振動を与えれば、その波は遠くまで伝わっていく。
振動を受ける粒子はつ1しかない。

これが共鳴するということは、円周状の同じ位置(位相)で、同じ振幅が続いているということになろう。
たとえば、0度の位置を0とするならば、90度で+1、180度で0、270度で-1で固定される。

正弦波の波形である。
こういう振動がラーモア周波数ということになる。

  注:波長の整数倍の振動ならば、この円周の中で共鳴できるであろう。
    (せいぜい数倍程度ではあろうが)

一方、重水素の場合は、振動を受けるリュウシは2つあるのである。
これらは、ちょうど180度反対側に配置されるのと考えるのが、自然だろう。

するとどうなるか?

位相が180度ずれた地点で同時に同じ振動を受けた場合、両者は打ち消しあって消えてしまうのである。
山と谷が重なるのである。

上記例でいえば90度と270度に相当する。
下図において、青の補助線で結ぶと、すべての位相において、磁場も電場も振動はゼロになる。

(ウィキペディアより、一部加工)
打ち消しあう電磁波

リュウシが2つ(偶数個)あると、完全に打ち消しあうのである。
本来は吸収しているからこのようになるのだが、表面上は何も起こらなかったかのごとく振る舞うはずだ。

これが本質ではないか?



さて、この核磁気共鳴分光法。
原子核が「歳差運動」をする原理を利用した分光分析法である。

以前の記事でも触れたことがあるが、この歳差運動こそが、原子内竜巻が存在することの根拠ではないか?
より正確には、原子核が歳差運動をしているのではなく、ヨウシが竜巻内で回転をしている。

見かけ上は、両者とも同じ挙動のように映るだろう。
そもそも原子核があると考えるから、歳差運動という概念を持ち込まざるを得なくなった。

だが、持ち込んだ結果、また新たな矛盾点が露見してきた。
いたちごっこである。

この点に触れると都合が悪いので、誰もが口にしない。
そういう状況なのではないか?

私にはそう思えて仕方がないのである。

 
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