アンディマンのテクノロジー(援技力)アンディマンのテクノロジー(援技力)写真表現に関わる専門的な知識を補うために設けたブログです。新たらしい時代に相応しい技術情報を掲載していきます。普段疑問に思った問題の解決に繋げるテーマを醸成していきます。専門的な知識の探求を目指す有志はどしどし忌憚のない意見を述べてください。上述したように、電磁波というものは、波が電場と磁場との振動である。これはマックスウェルが、電磁方程式をまとめた時に、その方程式から導き出したものである。電磁波の存在は、ヘルツによって発見された。水素原子から放出される線スペクトルの可視光線については、バルマー(スイスの中学校の先生)が電磁波発生のメカニズムを発見した。X線については、以上のようにして、電子により発生する。γ線は原子核から発生する。これがいわゆる、原子核のγ崩壊である。光を含めて、電磁波というものの発生の仕方は波長により、少し異なるようである。電磁波は、電化製品、OA機器などから生じる電場と磁場が時間的・空間的に変化しながら生じる波のことで、コンピュータでは主にディスプレイから発生する。電磁波による人体への悪影響などが指摘されている。太陽から発せられた電磁波は、地球に届くまでに波長が伸びる。これは、太陽の重力と地球の重力が違うことに起因するもので、アインシュタインの相対性原理で証明された時間と空間の歪み(曲がり)を示している。ヤングの干渉実験により光の波動説として証明され、その後マクスウェルらにより光は電磁波であることが示された。厳密にはマクスウェルの方程式で記述されるベクトル波であり偏光を持つが、波動光学では簡略化のためにスカラー波として扱うことが多い。nmのもの(可視光)をいう。含めて「光」または「光放射」という。光には以下のような基本的な性質がある。光は均質な媒質の内部では直進する(エウクレイデスの「光の直進の法則」)。厳密には、重力場では光の経路も彎曲する(測地線)。波の波長が短い場合はスリットを通過するときは平行度を保ったまま直進するが、波長が長い場合はスリットを通過するときは円状の波となって進む。光は異なる媒質の境界面で反射あるいは屈折する。凸凹の無い平面鏡に当たった光は、鏡に当たったときと同じ角度で反射する(エウクレイデスの「光の反射の法則」)。光の屈折の際は、スネルの法則が成立する。光が透明な媒質の境界面に当たったとき、その一部は境界面で反射するが、残りは媒質の内部を通過する現象を透過という。光が透明な媒質の内部を通過するとき、その内部へ吸収変換される現象を吸収という。-光の干渉と回折2つの光波(位相差が時間とともに変化しない同一周波数のコーヒーレントな2つの光)が重なり合うことで光が強くなったり弱くなったりする現象を干渉という。光が伝搬するときに障害物の後方に回り込む現象を回折という。平均的にいずれの方向に対しても同じ強さで振動しながら進行する光を自然光という。透明な物体に一定の角度で入射したときにみられる反射光が1つの面でしか振動しなくなった光を偏光という。光速(光の速度)は、光源の運動状態にかかわらず、不変である(光速度不変の原理)。光は物質のない真空中の空間を伝播することができる。光の強さは光源からの距離の2乗に反比例する(ケプラーの光の逆2乗の法則)。光が、人間の目に入る直線経路は複数とりうることを2穴のピンホールを用いた実験によってシャイネルが確認した(シャイネル試験)。物体の表面がなめらかな面でないとき、その凹凸のために入射した光が、いろいろな方向に反射散乱される現象である。平面のように見える面でも光の波長と同程度の尺度でみると乱雑な凹凸があるために、一方向から光を照射しても乱反射が起って、面上の各点が二次的光源になるので、どの角度からでもその面を見ることができる。光の散乱とは、光を物質に入射させた時、これを吸収すると同時に光を四方八方に放出する現象をいう。光散乱は光の反射と同じく、入射光によって誘起された電気双極子の振動から2次波が放出されることによるものである。原子に光が入射すると、電気双極子の振動が誘起され、それから2次波が放出されるが、多くの原子がまばらに、しかもランダムに分布していれば、これからの2次波を任意の方向で観測した場合に、その強度は各原子からの2次波の強度の和になり、これは一般に0にならない。これに対して原子が密にあり、その密度が一様であるときには、各原子からの2次波は互いに干渉して特定の方向以外では強度が0になる。干渉の結果で消えない2次波は反射波となり、また入射波と干渉して屈折波ができる。このように光散乱は一般に物質が均一でないことに起因するものであり、これには物質表面が一様でなく、そこでも反射光がいろいろな方向に広がる乱反射も含まれるが、ここでは表面の効果は無視して、物質の内部で起こる光散乱について考える。C.ホイヘンスが唱えた原理で、光の波動説の重要な1つの根拠となった。光源から出た光波をまず一次波と考え、その波面の各点がまた光源となって二次波が発生し,次の波面はこれらの二次波の包絡面として得られると仮定して次々に波面を作図することで、光の直進、反射、屈折の現象を説明した。G.キルヒホフがこの原理の正しいことを理論的に証明した。光の二重性(­波動性、粒子性)光が、波動か粒子かという問題は、ニュートン対ホイヘンス以来、古典物理学の問題であった。その後、干渉,回折,屈折等の事実の観測や、Maxwellの古典電磁気学による「光=電磁波」の予言と、Hertzによる電磁波の観測等により、「光=波動」は古典力学では確立されたと思われていた。ちなみに、「光=電磁波」の予言と実証は古典電磁気学の大きな成果といえる。ところが、まもなく、それでは説明できない現象が見つかる。光(紫外線、X線)を金属に当てると、電子が飛び出す。個々の電子のエネルギーは光の強さではなく波長による。どんなに弱い光でも波長の短い光ほど高いエネルギーの電子が飛び出す。飛び出してくる電子の個数は光の強さによる。このことは、「光=波動」という考えからは説明しにくい。光が電磁場の波動であるとすると、電子はその電磁場によって揺り動かされてエネルギーを得ると考えられるが、弱い光ではエネルギーは小さくなるはずである。光が弱いときは単位時間に電子の受け取るエネルギーは小さいから、光が当たってから電子が飛び出してくるまでに時間がかかるはずであるが、実際にはそういうことはない。アインシュタインは、この現象に対し、プランクの仮説をさらに押し進めて、光量子仮説を提唱した。なるエネルギーを持った粒子(光量子、光子)のように振舞う。光の強さは光子の数に対応する。上の光電効果では、光(光子)が電子に衝突して、その電子をたたき出したと考えればよい。光子の量が多ければ(光が強ければ)出てくる電子の数は多くなるし、光子のエネルギーが大きければ(光の振動数が大きければ)出てくる電子のエネルギーは大きくなる。出てくる電子の持つエネルギーはE:飛び出してきた電子のエネルギー、P:金属中の電子の束縛エネルギー、となるはずである。これは後にミリカン(Millikan)によって確かめられた。その後、コンプトン(Compton)の実験(1922年)によって、光子が電子と粒子同士の衝突のような弾性衝突をすることが確かめられた。上述したように、電磁波は、空間の電場と磁場の変化によって形成された波(波動)のことである。電界と磁界がお互いの電磁誘導によって交互に相手を発生させあうことで、空間そのものが振動する状態が生まれて、この電磁場の周期的な変動が周囲の空間に横波となって伝播していく、エネルギーの放射現象の一種である。そのため、電磁放射とも呼ばれている。・ヤング、フレネルとマクスウェル1800年代初頭、ヤングとオーギュスタン・ジャン・フレネルによる二重スリット実験によってホイヘンスの波動説の証拠が得られた。二重スリット実験によって、格子を通った光は、水の流れが作るものと良く似た干渉縞を作る。光の波長もこの干渉縞のパターンから計算できた。光の波動説はすぐに粒子説に置き換わることはなかったが、粒子説では説明がつかない偏光等の性質も説明できることが判かり、1800年代中頃には光に対する主流な考え方になってきた。1800年代終わり、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、マクスウェルの方程式により光は電磁波の伝播であることを示した。この方程式は多くの実験によって検証され、ホイヘンスの考えは広く受け入れられていった。・黒体放射に関するプランクの法則1901年、マックス・プランクは、黒体放射の光のスペクトルを再生することに成功したと発表した。この問題のために、プランクは放射線を発生する原子のエネルギーは量子化されているという数学的な仮定を置いた。後に、量子化されているのは原子ではなく電磁放射線自身だと提案したのはアインシュタインだった。アインシュタインの光電効果の実験1905年、アインシュタインはそれまで問題となっていた光電効果に対して説明を与えた。彼はこの説明のために、光のエネルギーの量子である光子の存在を仮定した。光電効果では、金属に光を照射することにより、回路に電流が生じる。これは、光が金属から電子を弾き出し、電流が流れたものであると推定された。暗い青色の光でも電流を発生させるのに対し、強い赤色の光では電流を全く発生させないことが判かった。波動説によると、光の波動の振幅は光の強さに比例するとされ、強い光は必ず大きな電流を発生させるはずである。奇妙なことに観測の結果はそうならなかった。アインシュタインは、この難問に対し、電子は離散的な電磁場(光子と呼ばれる量子)からエネルギーを受け取ると説明した。エネルギー量Eは光の周波数fと、次の関係式で結び付けられる。10-34ジュール秒の値を持つプランク定数であり、十分高い周波数の光子のみが電子を弾き出せることが判かる。青色光の光子は金属から電子を開放するのに十分なエネルギーを持っているのに対し、赤色光の光子は十分なエネルギーを持たない。高い周波数の光子は、より多くの電子を弾き出せるが、周波数が基準以下になると、いくら強い光でも電子は弾き出せないことが判かる。アインシュタインは、光電効果の理論によって1921年度のノーベル物理学賞を受賞した。・ド・ブロイの仮説1924年、ド・ブロイはド・ブロイ波の仮説を発表した。この仮説は光子だけではなく全ての物質が波動性を持つとするもので、波長λと運動量pが次の式で関係付けられた。c/f(cは真空中の光速度)とした、アインシュタインの式の一般化である。ド・ブロイの式は3年後に電子について電子回折の観察をする2つの別々の実験によって検証された。アバディーン大学のジョージ・パジェット・トムソンは薄い金属フィルムに電子ビームを通し、予想された干渉パターンを得た。ベル研究所のクリントン・デイヴィソンとレスター・ジャマーは結晶格子に電子ビームを通して同じ結果を得た。ド・ブロイはド・ブロイ波の考案によって、1929年にノーベル物理学賞を受賞した。トムソンとディヴィソンも1937年のノーベル物理学賞を分け合った。ヴェルナー・ハイゼンベルクは、量子力学の公式化を進める中で、次のように表わされる不確定性原理を仮定した。プランク定数を2πで除したものを表わしている。=h/4π)ハイゼンベルクは、初めのうちは自身の発見を、測定のプロセス上生じる現象だと説明していた。粒子の位置を正確に測定しようとすると運動量が乱され、逆に粒子の運動量を正確に測定しようとすると位置が乱される。これは、現在では不確定性の一部にすぎず、不確定性は観測のプロセスではなく粒子そのものに存在することが理解されている。実際に、現在の不確定性原理の説明は、ニールス・ボーアとハイゼンベルクによって考案されたコペンハーゲン解釈に拡張され、粒子の波動性に明確に依存している。ここでは波動の正確な位置を論じることは意味をなさず、粒子の完全に正確な位置も決まらない。位置が比較的よく定まると、波動はパルス状になり、波長は定まらなくなる。ド・ブロイ自身は、粒子と波動の二重性を説明するためにパイロット波を提案していた。この考え方では、それぞれの粒子の位置と運動量は精度良く定まるが、シュレーディンガーの式に由来する波の性質も示す。パイロット波理論は、複数の粒子に適応すると局在性を示さなくなることから、初めは否定された。非局在性は、量子理論の積分により得られることが判かった。デヴィッド・ボームによってド・ブロイのモデルが拡張された。ボームの理論では、粒子と波動の二重性は物質自体の性質ではなく、粒子の動きによって生じるものとされた。人間とは、地球上で生活を営む生命体で、社会的なありかた、関係性、人格を中心にとらえた「ひと」のことである。その存在のありかた全体を指すこともある。地球=太陽系に属する惑星で、様々な物理法則から逃れられない。生命=生物が生物として自己を維持、増殖、外界と隔離する活動の総称で固有の特性を持つ。太陽=銀河系(天の川銀河)の恒星の1つである。太陽系の物理的中心であり、太陽系の全質量の99%以上を太陽が占める。典型的な主系列星で、スペクトル型はG2V(黄色)である。推測年齢は約46億年で、主系列星として存在する期間の半分を経過しているものと考えられている。太陽の光(可視光線)には、無数の色が含まれている。太陽光=白色光(色が見ない光)で、分光するとスペクトルが得られる(分光スペクトル)可視光線=電磁波の一部で、380nm~780nm(JIS)の波長範囲を持つ全ての分光スペクトルを束ねて逆に辿れば、元の白色光に戻る。色の違いは、波長によって決定される。スペクトルスペクトル(spectrum)は、複雑な情報や信号をその成分に分解し、成分ごとの大小に従って配列したもののことである。2次元以上で図示されることが多く、その図自体のことをスペクトルと呼ぶこともある。様々な領域で用いられる用語で、様々な意味を持つ。現代的な意味のスペクトルは、分光スペクトルか、それから派生した意味のものが多い。・分光スペクトル分光学では、電磁波(光)をプリズムや回折格子といった分光器を通すことにより得られる、電磁波の波長ごとの強度の分布を分光スペクトルという。分光スペクトルには、対象物と光との関係によるスペクトルの種類とスペクトルの波形の特長による種類とがある。・対象物と光との関係によるスペクトルの種類-光源スペクトル対象物が発する光のスペクトルをいう。-反射スペクトル標準の光源に対し、対象物で反射する光のスペクトルをいう。-透過スペクトル標準の光源に対し、対象物を透過する光のスペクトルをいう。-吸収スペクトル標準の光源に対し、対象物が吸収する光のスペクトルを吸収スペクトルという。一般的に吸収しやすい光のエネルギー(波長)は、物質によって異なる。直接は計測できず、減算で計算する。・スペクトルの波形の特長による種類-連続スペクトル熱放射による光はあらゆる波長の光を含んでいる。このような光はプリズムで分光すると連続的な虹色の模様になる。そこでこのような光のスペクトルを連続スペクトルという。-輝線スペクトル電離あるいは励起された原子から放射される光は原子内の電子のエネルギー準位が量子化されているため、ある特定の波長だけに限られている。このような光はプリズムで分光すると離散的ないくつかの光の線となる。この光の線を輝線といい、輝線からなるスペクトルを輝線スペクトルという。-吸収線スペクトル連続スペクトルを放つ光源と観測者との間に原子が存在すると、その原子がある特定の波長の光を吸収して励起されるため、その波長での強度が減少したスペクトルとなる。このような光はプリズムで分光すると連続的な虹色の模様の中にいくつかの暗い線が見られる模様となる。この暗い線を吸収線または暗線という。吸収線を持つスペクトルが吸収線スペクトルである。光は粒子と波動の二重性を持っていることがヤングの実験によって実証されている。おける「量子」が、古典的な見方からすると、粒子的な性質と波動的な性質の両方を持つという性質のことである。光のような物理現象が示す、このような性質への着目は、クリスティアーン・ホイヘンスとアイザック・ニュートンにより光の「本質」についての対立した理論(光の粒子説と光の波動説)が提出された1600年代に遡る。その後19世紀後半以降、アルベルト・アインシュタインやルイ・ド・ブロイらをはじめとする多くの研究によって、光や電子をはじめ、そういった現象を見せる全てのものは、古典的粒子のような性質も古典的波動のような性質も持つ、という「二重性」のある「量子」であると結論付けられた。この現象は、素粒子だけではなく、原子や分子といった複合粒子でも見られる。実際にはマクロサイズの粒子も波動性を持つが、干渉のような波動性に基づく現象を観測するのは、相当する波長の短さのために困難である。光が波動でもあることから、色も波動で表現できることが一般的に知られている。これは、プリズムによって得られた分光スペクトルによって色分けでき、いわゆる虹の七色を形成している。これを「色の三属性」に当てはめてみると、光のエネルギーの大小で明度を決め、電磁波の高低で彩度を決め、そして周波数の違いで色相を決めている。wave)は、空間の電場と磁場の変化によって形成される波(波動)である。)や電波は電磁波の一種である。radiation)とも呼ばれる。現代科学において電磁波は波と粒子の性質を持つとされ、波長の違いにより様々な呼称や性質を持つ。通信から医療に至るまで数多くの分野で用いられている。波長によって様々な性質を示す。このことは特に観測技術で利用されている。微視的には、電磁波は光子と呼ばれる量子力学的な粒子であり、物体が何らかの方法でエネルギーを失うと、それが光子として放出される。光子を吸収することで物体はエネルギーを得る。電磁波と波長の関係は下図に示した通りである。可視光線は、JISによって定められており、380nm~780nmの範囲となっている。横軸は距離であり電磁波の進行方向を指す。縦軸は電場と磁場であり、磁場の軸は奥行き方向に倒して描かれている。図に示されるように、電磁波は横波として伝播する。(上図の説明)電場と磁場は真空中にも存在でき、波を伝える媒体となる物質(媒質)が何も存在しない真空中でも電磁波は伝わる。電磁波の電場と磁場の振動方向は互いに垂直に交わり、電磁波の進行方向もまた電磁場の振動方向に直交する。