ヘリウム原子と水素イオンにおけるクーロン力の比較とその解釈

ヘリウム原子中の核と電子間、そして水素イオンとのクーロン力について比較し、その働きについての理解を深めるために、まず基本的な物理法則をもとに考察してみましょう。

クーロン力の基本的な説明

クーロン力は、荷電粒子間に働く力であり、電荷の大きさと粒子間の距離に依存します。クーロンの法則により、二つの電荷間の力は以下の式で表されます。

F = (k * |q1 * q2|) / r²

ここで、Fはクーロン力、kはクーロン定数、q1およびq2は電荷量、rは二つの電荷間の距離です。

ヘリウム原子におけるクーロン力

ヘリウム原子には2つの電子があり、これらの電子は原子核（2つの陽子と2つの中性子）に引き寄せられます。この場合、電子と原子核の間でクーロン力が働きます。問題で言及されている「r2」の距離において、ヘリウム原子内でのクーロン力を計算するためには、原子核の電荷量（+2）と電子の電荷量（-1）を考慮に入れます。

水素イオンとのクーロン力の違い

水素イオン（H⁺）は、1つの電子を持つ陽子だけの状態です。このため、水素イオンには電子間のクーロン力が存在しません。電子がなく、陽子と電子間で引き寄せる力が無いため、水素イオン自体にはクーロン力が働かないと言えます。したがって、ヘリウム原子におけるクーロン力と比較すると、水素イオンでは力が働かない状態です。

クーロン力の働きとその結果

ヘリウム原子内では、原子核の電荷（+2）と電子の電荷（-1）の間に引力が働きます。これは電子が原子核に引き寄せられる力です。一方、水素イオンはすでに電子を失っており、クーロン力が働く対象が存在しないため、クーロン力は働きません。このため、ヘリウム原子では引力が働く一方で、水素イオンには反発力や引力は働かないということになります。

まとめ

ヘリウム原子内では核と電子間に引力を伴うクーロン力が働きますが、水素イオンには電子が存在しないため、クーロン力は働きません。この違いを理解することが、問題における正しい解釈を助けるでしょう。