第16回:光=電磁波って?
そもそも、アインシュタインが相対性理論に行き着いたのは、
「動いている物体の電気力学」(特殊相対性理論)を説明するためで、
「ローレンツ変換」が成り立つことを証明するものらしいです。
なので、本来なら、ローレンツ変換などについて述べなければならないと思うのですが・・・((((^_^;)
物理学的?な数式なんて、ぜぇ〜んぜん解りませんし、
せいぜい、高校生でも判る程度の『思考』でしか考えられません!(爆)
で、「動いている物体の電気力学」ですが、
簡単にイメージすると、
電波の発信源と電波を受信する観測者が、
互いに異なる運動をしている時の、
受信電波の状態を表す式
という感じでしょうか。(^_^;)
実は、このコーナーを最初に始めた時、
『光の速度は相対的』を前提に、
運動する光源からの光が、
観測者にどの様に伝わるかを図解して、
ローレンツ変換が成り立つことを説明する?のが最終目標でした。(^○^;)
「光速が相対的」なら、
光のドップラー効果(遠い恒星の赤方偏移)も、
いとも簡単に、すっきりと説明できるわけです。
しかし、その途中で、
もっと「相対性理論」を勉強する必要があると感じて、
それ系の本を購入して読んだりしている内に、
その『図解作業』が先へ進まなくなってしまったのでしたぁ〜!(爆)
(まぁ、いつかは再開したいと考えていますが)
話がそれてしまいましたが・・・(^○^;)
「電気力学」って何?という事ですが、
そもそも、『電磁波』って何?
という事になります。
という事で?、『電磁波』ですが・・・
「光」も電磁波の一種・・・というか、
いわゆる「可視光線」は、人の目で見える周波数帯の電磁波ですね。
電磁波には他に、ガンマ線・X線・紫外線、赤外線や電波も含まれて、
遠赤外線は「輻射熱」を伝えますから、熱線も電磁波?
つまり、重力を除いた、
『光速度で伝わる波動エネルギーの総称』とも言える訳です。
で、電磁波は、その「波長」で分類します。
まぁ、可視光以上の周波数の電磁波の波長は桁違いに短いですし、
周波数は桁違いに高いので、「干渉」を利用して計測するみたいですが・・・
【可視光の波長とエネルギー】
目で見える「光」の波長の単位”nm”(ナノ・メートル)は、
10-9m=10億分の1m=100万分の1mmです。
なので、”青緑色”の波長 500nmは1万分の5mmで、
原子のサイスの5000倍くらいですね。
一方、こんな短い波長で、
光は1秒間に約30万Kmも進むので、
その周波数は600THz(テラ・ヘルツ)=600×1012 =600兆ヘルツと、
とんでもなく高いですぅ〜!(^○^;)
【可視光の波長と色の分布】
で、可視光は周波数が高い方から、
”目に見えない黒”から”青”、
→緑・黄色・オレンジとなり、
そして”赤”から、また ”見えない黒”になります。
太陽の様な”白い?光”は、可視光の全ての周波数が混ざっている光です。
ちなみに、幼い頃に習った『色の三原色』は”赤・青・黄色”でしたが・・・
光の三原色は人の網膜の受容体が感知する波長で、
それぞれの色は、モニタの発光体と同じRGB”赤・緑・青”↓
そして、全て合わさると”白”です。
一方、色の三原色は、CMY”シアン(C)・マゼンタ(M)・イエロー(Y)”で、
プリンターのインクは、これに”黒”を加えたCMYKの4色です。
(私が使っているキャノンのプリンターは、更に”グレー”が追加されて5色ですが・・・)
で、面白い事に?
というか、そういう関係になる波長の光を選んだんでしょうけど・・・(^○^;)
光の三原色の隣り合った原色を混ぜた色は色の三原色と一致します。↓
そして、色の三原色の隣り合った原色を混ぜると、光の三原色と一致します。
【電磁波の波長・周波数・エネルギー】
「電波」から「ガンマ線」に向かって周波数が高くなって、波長が短くなります。
ガンマ線になると、波長は10-11m以下で、原子のサイズより小さいです!
一方、周波数は30EHz(エクサ・ヘルツ)=30×1018=3千京(けい)Hzにもなります。(^○^;)
この周波数(振動数)が、仮に1回1秒だとすると、1兆年になります。(爆)
でぇ〜、この表で気になるのは・・・
エネルギーが周波数(振動数)に比例している事です。
E=hv(h=プランク定数、v=周波数)
で、上図の表の「エネルギー eV」
周波数に比例するエネルギーって何?(^○^;)
光は、強くても弱くても、周波数が同じなら赤は赤ですよね。(^_^;)
「eV」は電子ボルトで、
電子1個を1Vの電圧で加速するエネルギーです。
電磁波はエネルギー強度が振動している『波』ですから、
縦軸をエネルギーにしたグラフが描ける訳です。
で、なじみ深い?「電波」で考えると、
300GHzの波長は1mm、
300MHzは1m、
300KHzは1Km、
と、目に見える?長さになるので、
数10GHzの電波であれば、モニタで実物大?の波形が見れます。(^_^;)
で、この電波は送信機のアンテナから、
電場(と磁場)の強度が増減する形で放射されます。
波長が数mm〜数cmですから、
電波のエネルギーが光子なら、
一つの波(山)に、”光子?”が沢山含まれているハズです。
で、周期に同期して、
無数の光子のそれぞれの個体のエネルギー量が一斉に変化する、
つまり、個々の光子のエネルギーが消えたり現れたりする????
もしくは、
周期の位相位置に同期して、個々の光子のエネルギー値が異なる????
というのは考えづらいので・・・(^○^;)
電波の波=電波(電界)が強いというのは、
光子が沢山放出されていて、
その個数の変化が”波”として観測されると考えざるを得ない訳です。
これは、”光”の光量を増減させた波と同じ事ですね。(^_^;)
で、通常の?正弦波の場合は、
振幅(波の頂点のエネルギー値)が一定なら、
周波数が増減しても、
単位時間内のエネルギー量は変わりません。
下の図の、黄色の面積と水色の面積を比べると同じになります。
ちなみに、面積は「振幅×波長の2分の1」です。
ちなみに、
普通?正弦波をグラフにする場合は、
振幅の中央を”0”にして、プラス/マイナスに振幅しますが、
電磁波の波は、何もない”0”の空間で、
エネルギーが振動するので、
波の谷の底を”0”にしました。
更に、上の図から解るように、
振幅最大位置のエネルギー値が一定なら、
波長が長く(周波数が低く)なる方が、
1周期のエネルギー量(光子の数)は大きくなります。
しかし、光子のエネルギーが周波数に比例するという事は、
周波数が変化しても、
1周期のエネルギー量が変わらないという事ですね。(^_^;)
で、何でそんな事になるのか?
光子のエネルギーが周波数に比例するのか?
【続く】