JP2014021481A - Hydrogen atom model - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は理科教材としての水素原子模型に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen atom model as a science teaching material.
数学的解析のみに走りがちな量子力学にあって、具体的イメージを喚起する教材は極めて限られている。強いて挙げれば図8および図9がある。図8は有名なド・ブロイの原子模型図であり、図9は下記特許文献1で従来例として取り上げられたFig.10の上の三つであり、左から2pz、2py、2px軌道の存在確率分布を表す図である。これらの言わば古典的水素原子像とは異なり、内部構造に踏み込んだ数少ない例として、米国特許公開広報US2010/0028840 A1およびUS2011/0086333 A1がある。図10は前者のFig.3であり、水素原子1s軌道の電気力線2の図とされている。後者にはs軌道における存在確率の矛盾が記載されている。In quantum mechanics, which tends to run only for mathematical analysis, there are very few educational materials that can be used to elicit specific images. For example, there are FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is an atomic model diagram of the famous de Broglie, and FIG. 9 is a diagram of FIG. 10 is a diagram showing the existence probability distribution of 2pz, 2py, and 2px trajectories from the left. Unlike these so-called classical hydrogen atom images, US Patent Publications US2010 / 0028840 A1 and US2011 / 0086333 A1 are few examples that have stepped into the internal structure. FIG. 10 shows the former FIG. 3 and is a diagram of electric lines of
しかし波動関数がベクトルポテンシャルであるとする考えは単なる推測に過ぎず、説得力に欠けるうえ、正電荷を有する陽子から外側へ伸びる電気力線2が再び陽子に戻る形状は物理法則に反する。また単純な球対称の波動関数からz軸方向に異方性を持つ電場が導かれる事にも違和感を覚える。However, the idea that the wave function is a vector potential is merely speculation, lacks persuasive power, and the shape of the
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、量子力学の原点たる水素原子の波動関数が一体何であるのか?に立ち戻り、その解明結果として電磁場分布を提供し、具体的イメージを抱くなど、理科の基礎を形成する量子力学の物理的考察を容易にする等を通し、理科全般に興味を抱かせる事を目的としている。The present invention solves the above conventional problems, and what is the wave function of hydrogen atoms, the origin of quantum mechanics? Going back to, providing an electromagnetic field distribution as a result of elucidation, and having a concrete image, such as facilitating physical considerations of quantum mechanics that form the basis of science, etc. It is said.
本発明は上記目的を達成する為に、水素原子の波動関数にベクトル演算の勾配を施し負号を付けた結果を電場として平面描画あるいは立体構成したものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is a three-dimensional drawing or three-dimensional configuration using the electric field as the result of applying a vector calculation gradient to the wave function of hydrogen atoms and adding a negative sign.
本発明の教材としての水素原子模型は、水素原子の波動関数にベクトル演算の勾配を施し負号を付けた結果を電場として平面描画あるいは立体構成したものであり、従来窺い知る事が出来なかった原子内部を目の当たりに見る事ができ、現象解析の際に有用であると共に、理科を学ぶ興味を引き起こすことができる。The hydrogen atom model as a teaching material of the present invention is a three-dimensional drawing or three-dimensional configuration obtained by applying a gradient of a vector operation to the wave function of a hydrogen atom and adding a negative sign as an electric field. The inside of the atom can be witnessed, and it is useful for analyzing phenomena, as well as creating interest in learning science.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。極座標(r、θ、φ)および後述する放物線座標(ξ、η、φ)とで表現された水素原子の波動関数の中のエネルギーの小さい4つを、両座標の互いに等しい波動関数を対比して示した。4つに限定したのはこれで大体の特徴が網羅されているのに加えて、高次の軌道はより複雑であり、特徴が表現され難いからである。これ以降、太字斜体でベクトルを表すこととする。a0はボーア半径であり、また、電磁場を求めるには正規化係数は不用であるので省略する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The four energy functions in the wave function of hydrogen atom expressed by polar coordinates (r, θ, φ) and parabolic coordinates (ξ, η, φ) described later are compared with the wave functions that are equal to each other. Showed. The reason for limiting to four is that, in addition to covering the general features, higher-order trajectories are more complex and the features are difficult to represent. Hereinafter, the vector is represented in bold italics. a 0 is the Bohr radius, and since the normalization coefficient is not necessary for obtaining the electromagnetic field, it is omitted.
1s軌道
これらにベクトル演算の勾配(数式上ではgradまたは∇と表現される)を施し負号を付けた結果が電場であり、各点の電場方向を連続的に結んだ線が電気力線2である。1sおよび2s軌動は立体的模型として、rが一定である球の一部をθやφが一定となる面で切り欠き、その表面に前記式から得られた電気力線2と、後述する磁力線3の両者を組合せて表現する方式を採用。これを実施形態1とする。2pzおよび2px軌動は多少複雑なので垂直断面における電気力線2の分布図を実施形態2とする。また、電位も物理量であり、電場と同様に意味を持つので、水平断面での分布図を実施形態3とする。磁力線3のみの断面図を実施形態4とする。The result obtained by applying a gradient of vector calculation (expressed as grad or ∇ in the mathematical expression) to these and attaching a negative sign is an electric field, and a line continuously connecting the electric field directions of each point is an
図1は本発明実施形態1に係る教材としての水素原子模型である。前記数1に示した1s軌道の極座標波動関数にベクトル演算の勾配を施して負号を付けて求めた電場Eは
電場がr方向成分のみであるから、電気力線2は中心から外側に向かう放射状直線となる。
後述の如く、磁力線3は前記従来例1で開示されたものを採用、式は次式で示す。ただし、磁束と磁場の正確な区別や係数μ0等は磁力線3に必ずしも必要でないので省略した。
Since the electric field has only the r-direction component, the
As will be described later, the
図2は本発明実施形態1に係る教材としての水素原子模型であり、水素原子2s軌道の電磁場分布を表している。前記数2に示した2s軌道の極座標波動関数にベクトル演算の勾配を施して負号を付けると次式が得られる。
図3は本発明実施形態2に係る教材としての水素原子模型であり、任意のφ一定垂直面における2pz軌道の電気力線2を描いた図である。前述の数3の放物線座標波動関数u100に勾配演算を施し負号を付けると電場Eは次式で表される。
図4は本発明実施形態2に係る教材としての水素原子模型(描画)である。前述の数5、2px軌道の極座標表示された二つの波動関数の差に勾配演算を施し負号を付けると電場Eは次式になる。
図5は本発明実施形態3に係る教材としての水素原子模型(描画)である。前述の数11で表された電場は、電位の勾配であるから、等電位線とは垂直に交わっているはずである。
従って作図プログラムを一部修正、任意の点を代入して求めた電場の方向と垂直な方向に微小な一定距離はなれた第2の点を求め、これを再代入し再び電場を計算、得られた電場と垂直な方向に前述と同一微小距離はなれた第三の点を求めて再度電場計算を行う方法を繰り返して描いたものであり、r=6a0の範囲の2px軌道の等電位線図である。FIG. 5 is a hydrogen atom model (drawing) as a teaching material according to
Therefore, a part of the drawing program was modified, and a second point that was separated by a small fixed distance in the direction perpendicular to the direction of the electric field obtained by substituting an arbitrary point was obtained. electric field and the direction perpendicular to the above in the same small distance are those drawn following the procedure of performing again the electric field calculation seeking third point familiar equipotential diagram of 2px orbital range of r = 6a 0 It is.
図6は本発明実施形態3に係る教材としての水素原子模型(描画)である。前述の数5に図5の場合と同様にφ=0を代入した後に直角座標(x、y、z)で表示すると次の数12になる。
図7は本実施形態4に係る教材としての水素原子模型(描画)である。前述の数5にθ方向の単位ベクトルiθを掛け、転回演算を施した後にθ=π/2を代入し、数13を得る。
以上のように構成した教材の動作、作用に入る前に、シュレディンガー方程式の解、波動関数が何か?を説明する。波動関数は電位(静電ポテンシャル)である。理由は、1)電位は仕事量を単位に持つスカラー量であるから、仕事量(エネルギー)を取り扱うスカラー方程式であるシュレディンガー方程式の解に相応しい。2)波動関数中に正負の値が出現する事の説明がつく。3)陽子の周囲を電子の等価的な電荷が分散分布しているとの基本的な原子像と矛盾しない。4)現在の存在確率説と本質部分は同一であるから、既存の種々の実験結果などとの矛盾が少ない。などが挙げられる。What is the solution to the Schrödinger equation and the wave function before the operation and action of the teaching material configured as described above? Will be explained. The wave function is a potential (electrostatic potential). The reasons are as follows: 1) Since the electric potential is a scalar amount having the work amount as a unit, it is suitable for the solution of the Schrödinger equation which is a scalar equation that handles the work amount (energy). 2) Explain that positive and negative values appear in the wave function. 3) It is consistent with the basic atomic image that the equivalent charge of electrons is distributed around the proton. 4) Since the essence part is the same as the present existence probability theory, there is little contradiction with various existing experimental results. Etc.
上記3)を簡単に補足する。電磁気学の基礎として、単一の電荷量qから距離rの位置にある観測点で、電位φが次式で定義される。
水素原子の波動関数が電位であるならば、ベクトル演算の勾配を施し負号を付ければ電場が求められる。数6、数8に示した如く結果は至って単純で、1sおよび2s軌道の電場の方向は半径方向であり、波動関数自体と同じ球対称である。前述の解決しようとする課題が全て解決される。If the wave function of a hydrogen atom is an electric potential, an electric field can be obtained by applying a gradient of vector calculation and adding a negative sign. As shown in
2pz軌道の波動関数は放物線座標表示のシュレディンガー方程式から直接導かれた波動関数、u100(ξ、η、φ)および u010(ξ、η、φ)と、それぞれに等しい和および差の極座標表示の波動関数である。理由、1)シュレディンガー方程式を表現する座標として放物線座標と極座標とに優劣があるとは考えられない。2)シュレディンガー方程式から直接導かれた波動関数は、複数の波動関数の和あるいは差で表された波動関数よりなんらかの強い意味を有していると考えられる。3)電位説で波動関数を見なおすと、直接導かれた波動関数であるu100(ξ、η、φ)および u010(ξ、η、φ)は、ξ=0、η=0の原点で最大値を示し、そのまま採用可能である。2pz orbital wave functions are derived directly from the Schroedinger equation in parabolic coordinates, u 100 (ξ, η, φ) and u 010 (ξ, η, φ), and polar coordinate representations of equal and different sums, respectively. Is the wave function of Reasons 1) It cannot be considered that parabola coordinates and polar coordinates are superior or inferior as coordinates expressing the Schrodinger equation. 2) It is considered that the wave function directly derived from the Schrödinger equation has some stronger meaning than the wave function represented by the sum or difference of a plurality of wave functions. 3) When the wave function is re-examined in the potential theory, the directly derived wave functions u 100 (ξ, η, φ) and u 010 (ξ, η, φ) are the origins of ξ = 0 and η = 0. Indicates the maximum value, and can be used as it is.
放物線座標において2sおよび2pz軌道に対応する直接解はu100(ξ、η、φ)およびu010(ξ、η、φ)であり、従来の確率振幅説が主張する2pz軌道の波動関数は両者の差を取らなければならない。上記理由2)によりシュレディンガー方程式が「波動関数=電位」を示唆していると解釈できる。
この考えに立って従来の2px軌道の波動関数を見なおすと、原点で最大値とならない。原点で最大にするには2s軌道の波動関数との差を求めればよい。その結果が数5である。The direct solutions corresponding to 2s and 2pz orbits in parabolic coordinates are u 100 (ξ, η, φ) and u 010 (ξ, η, φ), and the wave functions of the 2pz orbit claimed by the conventional probability amplitude theory are both The difference must be taken. For the reason 2), it can be interpreted that the Schrodinger equation suggests "wave function = potential".
If the wave function of the conventional 2 px orbit is reconsidered based on this idea, the maximum value is not reached at the origin. What is necessary is just to obtain | require the difference with the wave function of 2s orbit to make it the maximum at an origin. The result is
参考までに説明する。放物線座標(ξ、η、φ)でも水素原子の波動関数が導出される事が、現在市販中の二三の教科書に紹介されている。詳細に記載されているものとして、前記非特許文献1の110−113頁および非特許文献2の66−68頁がある。それらを基に上述の数1から数5を計算した。
それらによると放物線座標(ξ、η、φ)は直角座標(x、y、z)および極座標(r、θ、φ)各々との間に
According to them, parabolic coordinates (ξ, η, φ) are between rectangular coordinates (x, y, z) and polar coordinates (r, θ, φ), respectively.
次に磁場の説明をする為に、水素原子像「中心に位置する正電荷陽子の周囲に負電荷電子が定在波として存在する」に立ち帰る。定在波を形成するには二通りあり、一つは互いに逆方向を向いた二つの進行波により形成され、もう一つは図8に見られる様に、円周上の進行波が周回遅れに追い付く事により形成される。いずれにしても動いている波の存在の上に定在波が出現する。波としてであっても、電荷が動いていれば、それは電流である。その電流の一瞬の姿が定在波であり、その定在波が形成する電位(静電ポテンシャル)が波動関数であるとの考えが本発明の基礎である。Next, in order to explain the magnetic field, we return to the hydrogen atom image “negatively charged electrons exist as standing waves around the positively charged proton located at the center”. There are two ways to form a standing wave, one is formed by two traveling waves that are opposite to each other, and the other is, as seen in FIG. It is formed by catching up with. In any case, a standing wave appears on top of a moving wave. Even as a wave, if the charge is moving, it is a current. The idea that the instantaneous state of the current is a standing wave and the potential (electrostatic potential) formed by the standing wave is a wave function is the basis of the present invention.
これを数式表現する。前述の電位の式、数13の電荷qiの各々が同一のベクトル速度vで動いているとし、係数を変更するとベクトルポテンシャルAnになる。さらにvをシグマの外に出す等で前記電位φnとの関係を見ると
しかし少なくともs軌道では、統計上の平均的軌道を陽子を中心とする円と考えて差し支えなかろう。さすれば電流の方向は大円方向であるθ方向が最適である。ベクトル速度vをviθと変更すれば上式は次の様になる。
However, at least in the s orbit, the statistical average orbit can be considered as a circle centered on protons. In this case, the direction of the current is optimal in the θ direction, which is a great circle direction. If the vector velocity v is changed to vi θ , the above equation becomes as follows.
しかしθ方向とは地球に例えると南方向であり、東西方向や上下方向が全て排除された事になる。s軌道においても、東西方向は否定できない。さらに他の軌道では図9から類推する如く、楕円が球対称に配置された様な軌道を周回していると考えられるから、上下方向を考えるべきであろう。何れにしろθ以外の方向、特に楕円に必須のr方向成分を考慮すべきである。だが、残念ながらr方向のベクトルポテンシャルを回転演算するとゼロになってしまう。However, the θ direction is the south direction compared to the earth, and the east-west direction and the vertical direction are all excluded. Even in the s orbit, the east-west direction cannot be denied. Furthermore, in other orbits, as estimated from FIG. 9, it is considered that the ellipse orbits the sphere symmetrically arranged, so the up and down direction should be considered. In any case, the r direction component essential for directions other than θ, particularly for an ellipse, should be considered. However, unfortunately, if the vector potential in the r direction is rotated, it becomes zero.
そこで再度放物線座標を扱う。1s軌道の波動関数u000(ξ、η、φ)にξ方向の単位ベクトルiξを掛け、回転演算を施し、その結果を磁場Hとすると
作用に移る。本発明によれば、言わば水素原子内部の可視化が実現され、波動関数の差が内部電磁場の差にどの様に反映されるかが理解できる。例えば1s軌道は電磁場共に中心付近に集中しており、2s軌道は1s軌道より外側に拡大し、r=2a0で電場がゼロになっている事などである。また前記特許文献1では触れられていない、負電荷の等価的分散分布が推測できる。電磁気学の基礎知識によれば電気力線2は正電荷から出発し、電場の方向を結んで負電荷に至る線分であるから、例えば図3および数10式から、2pz軌道ではξ=6a0、η=0の点、極座標表示すればr=3a0、θ=πを中心に負電荷が集中していると推測できる。図2および数8式から2s軌道ではr=4a0の球面上を中心にに負電荷が分布していると推測できる。図1と数6式から1s軌道では陽子の近傍に負電荷が集中していると推測できる。図4と数11式から2px軌道ではφ=0、θ=π/2、r=3a0を中心に負電荷が集中していると推測できる。Move on to action. According to the present invention, so-called visualization of the inside of a hydrogen atom is realized, and it can be understood how the difference in the wave function is reflected in the difference in the internal electromagnetic field. For example 1s orbital is concentrated in the vicinity of the center in the field both, 2s orbital is expanded outward from the 1s orbital, the electric field at r = 2a 0 is such that is zero. Further, an equivalent dispersion distribution of negative charges, which is not mentioned in Patent Document 1, can be estimated. According to the basic knowledge of electromagnetism, the
さらに、本発明により求められた電場の式から、前記特許文献1では算出されていない電場エネルギーが計算できる。ns軌道の電場の式(ただし正規化係数を含む)を二乗し、全空間に亘って積分すると、エネルギーは1/(a0 2n2)となり、これはボーアのエネルギー準位に比例すると同時に、前記特許文献1で算出された磁場のエネルギーとも一致する。この結果は同文献の主張する無損失共振器説の後押しをすると共に、波動関数=電位の傍証となろう。Furthermore, the electric field energy not calculated in Patent Document 1 can be calculated from the electric field formula obtained by the present invention. If we square the ns orbital electric field equation (including the normalization factor) and integrate it over the whole space, the energy is 1 / (a 0 2 n 2 ), which is proportional to Bohr's energy level. The magnetic field energy calculated in Patent Document 1 also coincides. This result will support the lossless resonator theory claimed by the same document, and will support the wave function = potential.
以上述べた様に本発明の効果は、従来窺い知る事が出来なかった原子の内部構造を示す模型や図が理科、特に量子力学の興味を喚起し理科離れを食い止めるだけでなく、数学のみに偏った推論により生じかねない誤りを未然に防ぐ一助となる。さらに水素原子のエネルギー準位を電磁場分布から計算でき、量子力学教育に貢献する事をも期待される。As described above, the effect of the present invention is not only the science and models that show the internal structure of the atoms that could not be known in the past, but especially the science of quantum mechanics to stop the separation from science, not only to mathematics. It helps to prevent errors that may occur due to biased reasoning. In addition, the energy level of hydrogen atoms can be calculated from the electromagnetic field distribution, which is expected to contribute to quantum mechanics education.
本発明にかかる教材としての水素原子模型は水素原子内部の姿を可視化させ、難解で取っ付き難い量子力学に親近感を抱かせ、理科離れを防止し、教育や研究にも有用である。The hydrogen atom model as a teaching material according to the present invention visualizes the inside of the hydrogen atom, makes the quantum mechanics difficult and difficult to attach, prevents the separation of science, and is useful for education and research.
2 電気力線
3 磁力線
4 球
5 垂直面
6 水平面
7 球面(球表面)2
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---|---|---|---|---|
JP2015207264A (en) * | 2014-04-22 | 2015-11-19 | 松島 治男 | Method of displaying existence probability of electron in hydrogen atom |
CN105679154A (en) * | 2016-04-07 | 2016-06-15 | 齐齐哈尔大学 | Mechanics experimental instrument of rotation paraboloid |
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CN105679154B (en) * | 2016-04-07 | 2018-08-28 | 齐齐哈尔大学 | A kind of mechanics experiment instrument of the paraboloid of revolution |
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