第17回:電磁波のエネルギーって?


電磁波のエネルギー周波数(振動数)に比例する?
ですが・・・

そもそも、光子?の量の変化である波形と、
その構成要素である、個々の光子のエネルギー振動数?に、
相関関係があるというのは、どういう事でしょう?

という事で?
先ずは、エネルギーとして放出される電磁波光子?について考えてみます。

黒体輻射』では、
物体の温度を上げていくと電磁波(エネルギー)が放出されて、
物体の温度と放射される光の周波数が比例します。

ぶっちゃけ、温度を上げる→エネルギー増加→振動数増加→光の周波数増加
って、事なんですが・・・(^○^;)

ある温度で、1種類の決まった周波数の光が放出されるのではなく
色々な周波数の光が出るけど、
そのピークになる周波数が高くなり、
放出される光=エネルギーの総量が増える
って事です。↓


(↑このグラフは横軸が「波長」なので、ピークを繋いだ赤線反比例の曲線になります)

ちなみに、
太陽の表面温度が約6000Kと言われていて、
丁度、可視光にピークがあります。↓



って言うか、
地球の生物のが、太陽光の周波数帯を感じるように進化したって事でしょうね。(^○^;)

私が、
黒体輻射から解るのは、
エネルギーと振動数(周波数)が比例するって事と、
特定の周波数のみが放出される訳ではないって事くらいですが・・・(^_^;)

この、「ピーク周波数を超えると、放射されるエネルギーが減る
という事態を説明するためには?

電磁波のエネルギーが飛び出す時、
高い周波数の電磁波を放出する=飛び出す頻度を短く(速く)するには、
1回あたりに、より大きなエネルギーが必要になる。

だから、
ある温度(エネルギー状態)では、
それ以上の高い周波数の電磁波の放出が少なくなる

逆に言えば、
電磁波の周波数が高くなる=飛び出す頻度が短く(速く)なると、
1回あたりのエネルギー大きくなる。
(電磁波の単位=光子?のエネルギーが大きくなる)

と、考えざるを得ない訳で、

詳しい実験の結果?
黒体が電磁波を放出するエネルギーは、
E=hv(h=プランク定数、v=振動数)の整数倍である。

↑と言う事で、
hv”が「光子1個のエネルギー」(電磁波のエネルギーの最小単位)であり、
プランク定数』は、
光電効果」や「質量」や「量子論」に絡んできます。

でまぁ、仮定と実験結果で?
電磁波のエネルギーの最小単位=光子?のエネルギーは周波数に比例する
という事になった訳ですが・・・


さて更に、『光電効果』では、
光の強さではなく
光の周波数により電子が飛び出します。

 光をどんなに強くしても、
 周波数が低ければ電子は飛び出さず、
 周波数が高い(例えば紫外線領域だと)電子が飛び出し、
 その周波数で光を強くすると、
 飛び出す電子が多くなる。

で、この現象でも、
電磁波の周波数によって飛び出してくる電子のエネルギーを調べて、
E=hv光子1個のエネルギー)の値と良く一致しました。

つまり、
電磁波は「周波数に比例したエネルギー」を持った光量子)で、
その光量子の単位で物質(原子)にエネルギーを与えて電子が飛び出すという事ですね。

とまぁ、
電磁波のエネルギーの相互作用の最小単位があって、
それを「光子」として、
そのエネルギーが周波数に比例するという事を、
認めざるを得ない様なんですが・・・(^○^;)

では、
電磁波の波形に話を戻すと、

電磁波は、放射されたエネルギーの総量光子の数)が、
周波数」の周期で増減する波形のハズです。

その波形を構成する、個々の光子のエネルギーが、
周波数に比例するのは良いのですが・・・(^_^;)

各々1個の原子が1個の光子を、その周波数の周期で放出するとしても、
多くの原子が放出する光子の数が、
全体として、その周期で増減するのは何故!?(^○^;)

まず、黒体放射などの自然光は、
上で書いたように、
様々な周波数の光が同時に放出されます。

これでは、
本当に、その周波数ごとに光子の集団が増減する、
綺麗な波になっているか解りません。(^○^;)

そこで純粋に、
固定の周波数の、波の位相が揃った光を考えるなら、
レーザー光」の仕組みを考えれば良いですね。

レーザー発振器の原理は、
取り出したい波長の間隔にミラーを配置して、
そこに定在波を発生させて取り出すそうです。

つまり、
波長が一致した光同士はどんどん強め合って
一致しない光減衰していく事で、
決まった周波数の光が、位相を揃えて強くなっていくという原理です。

これなら、
多くの光子の集団である波形が、
決まった周波数の波長と位相が揃った波として取り出されるのは納得できます。(^_^;)

それでは、
太陽光などの自然光を、
プリズムなどで屈折させて分光した場合は、
周波数ごとに分散しますが、
この時の周波数ごとの波形は綺麗に揃っているのでしょうか?

太陽は、内部では水素の核融合で、
波長が10pm(ピコ・メートル)=100億分の1mmのガンマ線が発生して、
そのガンマ線が太陽内部の物質(原子や電子)と衝突して、
連鎖反応の末に周波数(エネルギー)が低下して、
太陽の表面からは、波長が300nm以上の可視光線紫外線・赤外線を放出します。

この時、
連鎖反応的に光が放出されるとして、
それを媒介する電磁波は、
光速で、かつ原子レベルの非常に近い距離で周囲の原子や電子に衝突しますから、
この時間は、とてつもなく短い時間のハズです。

それが連鎖するので、
多くの原子や電子が、同じ周期、同じ位相(タイミング)で反応する事になります。

とすれば、
太陽表面から放出される電磁波は、
周波数の周期と位相が揃って放出されると考えて良さそうです。

つまり、
電磁波の最小単位の光子のエネルギーの周波数と、
それらが集団になった電磁波の波形の周波数一致するのは、
全く偶然!?という事ですかね。(^○^;)

・・・いやいやいや・・・
偶然って事は無いでしょう・・・((((^_^;)

【続く】