量子論について|すべての光を吸収する黒体


量子論について|色と温度の関係とは?

量子論について

量子論についてこの記事をご覧いただきありがとうございます。

いい芝居してますね!サイト管理人の甲塚誓ノ介でございます。

この記事では量子論を語るにおいて、避けては通れない色と温度の関係から、黒体についてを

  • 量子論について|鉄の色でエネルギーの量がわかる
  • 量子論について|すべてを吸収する物質
  • 量子論について|光を気体をおなじように考える

以上の項目に沿ってご紹介させて頂きます。

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量子論について|鉄の色でエネルギーの量がわかる

量子論について

鉄の色でエネルギーの量がわかる

前回の【量子論とは】という記事では鉄の色と量子論の関係についてお話させて頂きました。

冷たい鉄は黒っぽく、熱い鉄ほど熱くなるにつれて、赤、オレンジ、黄色、そして白色になっていきます。

この色の変化に法則性を見出したのが、ドイツの物理学者で、ウィルヘルム・ウィーンでした。

光は粒だ!と言っていた物理学者ですね。

色の変化の法則性は、ウィーン公式としてまとめられております。

ウィーンが表現したことはとても単純な事で、鉄の温度が高ければ、放射されるエネルギーは大きくなるという事です。

エネルギーが大きいと、光も周波数が高い青色になります。

温度と光の周波数は、比例の関係にあるのです。

そして、鉄が熱せられて色が変化する、つまり光を放出する場合は、光は鉄から放射されるエネルギーだとも考えられます。

量子論について|すべてを吸収する物質

量子論について

すべてを吸収する物質

ここで、鉄を黒体という架空の物質に置き換えて考えてみます。

黒体とは【外部から入ってくる光などのエネルギーをすべて吸収、放射する物質】という概念です。

物質に色がついて見えるのは、その物質が吸収、放射できる光の周波数が決まっているからなのです。

光とエネルギーの関係を調べるには、すべての光を同じように吸収し、放出する物質を使う必要がありますが、そんな物質はないので、黒体の概念を使うという事なのです。

黒体を熱することにより、放出される熱や光を、黒体放射と呼んでいます。

黒体のイメージ

通常の物質は、光を反射したり透過したりするので、純粋にその物体が放射する光だけを分析する事はできません。光を反射も透過もせず、すべて吸収できる黒体は、放射光の研究には不可欠な概念なのです。

量子論について|光を気体をおなじように考える

量子論について

光を気体をおなじように考える

ウィーンの公式では、鉄の温度が高ければ、放射されるエネルギーは大きくなります。

例えば、気体を閉じ込めた空間の体積を小さくすると、圧力や温度が上昇します。

これは気体の分子が運動できる空間が狭くなったため、気体の運動が激しくなったという事で、つまりはエネルギーが増大したということになるのです。

ウィーンは、気体分子と同じように光を粒子、つまりものすごく小さな粒であると考えたのです。

気体分子のエネルギーを光の周波数と考えてみると、

エネルギーの増加=光の周波数の増加

となり、気体分子で起こったことが、光にも当てはまる事が理解できますね。

しかし画期的だと思われていたウィーンの公式ですが、ここで問題があったのです。

風波数が高い光(青色の光)の時はウィーンの公式通りなのですが、周波数が低い光(赤色の光)の時は、実験結果と一致しないという結果が出てしまったのです。

光は波であるという考え方が当時の物理学者の常識であった時代でしたので、光を粒子と考えたウィーンの主張は受け入れられにくかったのです。

光も電波も正体は同じ

赤色は周波数が低く、青色は周波数が高くなります。

赤色より周波数が低い色は肉眼で見ることができず、赤外線と呼ばれています。

赤外線はものを温める性質があるので、赤外線ヒーターなどの暖房器具にも利用されています。

一方、青色より周波数が高い紫外線も、肉眼では見えません。

紫外線は日焼けを起こし、肌には有害と言われています。

ラジオなどの電波にも周波数という言葉が使われていますよね。

実は、電波も光も周波数が違うだけで、同じ電磁波だからなのですね。

また医療機器に利用されているX線やγ線などの放射線も、電磁波なのです。

放射線は、光よりもさらに高い周波数をもっているのです。

この記事でのご紹介は以上になります。

今後もまだまだ量子論、量子力学についてご紹介させて頂く予定です。

最後まで記事をご覧いただきましてありがとうございました。

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