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光とは何か、光はどこから来るのか?

執筆者 | 2月 29, 2024 | blogs | コメント0件

写真:Nadine Shaabana on Unsplash

はじめに – 光とは何か?

科学者でない私たちは、光がただの光であることを当然のことと思っており、それがどこから来るのか、どのように生成されるのかについてはほとんど考えない。 したがって、あなたの仕事に照明、照明、さらには屋内農業が含まれている場合は、知りたいと思うかもしれないと考えました。

この記事では、「光とは何か」の幕を引く。

はじめに 光とは何か?

図1 Photo by Umberto on Unsplash

光はエネルギーの放出である。

要するに、光源(白熱電球など)から放出される光の光子は、単なるエネルギーの放出である。 これを説明するために、輪ゴムをパチンと鳴らすことに例えてみよう。

物理的なエネルギーを加えて輪ゴムを引き離すとしよう。 これにより、輪ゴムの素材にエネルギーが位置エネルギーとして付与される。 一方の端を離すと、輪ゴムは素早く収縮し、「スナップ」という音がする! スナップは音の形で放出される位置エネルギーである。

    輪ゴムの例え

    図2 ゴムバンドの例え

    では、光について話そう。 白熱電球のフィラメントはタングステンと呼ばれる素材でできている。 タングステンは分子でできており、原子の束がつながっている。 原子には核と呼ばれる中心があり、その周りを電子が回っている。

    図3a 電球のフィラメント

    室内園芸

    図3 電球のタングステンフィラメント

    (photo by alessandro-bianchi on unsplash)

    自然な低軌道にある電子から始めましょう (図 4-a)。

    電球にエネルギーや電気を加えると、フィラメントの原子内の電子はより高い軌道に励起され、位置エネルギーを得ることになります(図4-b)。

    電子が低い状態または自然な状態 (図 4-c) に戻ると、エネルギーが放出されますが、音の代わりに光の光子が放出されます。

     

    他の種類のライト(LED、蛍光灯など)は多くの点で異なるが、電子が高い軌道や状態から低い軌道や状態に落ちることによって光子を放出するという最終的な結果は同じである。

    反射、吸収、透過

    Fig 4 Photo by Josie Weiss on Unsplash

    電子は、常に電気を供給していても、高い軌道に留まることはない。

    なぜ電子はより高い軌道に留まり続けないのだろうか。結局のところ、一定の電気が継続的に印加されているのだ。

    高い軌道にある電子は、高いワイヤー(綱渡り)をしている人のようなものだ。 彼らは常に非常に不安定で不安定な状態にあり、高軌道から簡単に落ちてしまいます。 しかし、なぜ電子はこの状態では不安定なのか?

    物理学と量子力学

    要するに、電子のような素粒子は奇妙なのだ。 彼らは非常に小さな世界、量子力学の世界に生きている。 つまり、モノは触ったり、聞いたり、見たり、嗅いだりする私たち自身のこの世の存在と同じようには振る舞わないということだ。

    ある時間における電子の存在そのものが不確かであるため、電線上の位置が不安定になる。 そのため、簡単に落下して光の光子を放出します。

    そして、常に電気が供給されているため、次の電子はより高い状態へと上昇し、すぐに落ちていく。この何十億もの電子の上昇と下降が連続的に繰り返されることで、私たちは電球から光の流れを得ることができる。

    室内園芸

    図5 高軌道上の電子は、不安定で不安定なワイヤーアクションのようなもの。

    電子の古典的な見方と量子的な見方(ディープダイブ)。

    原子、原子核、軌道を回る電子に関する私の古典的な説明は不正確だと反論する人もいるだろう。 私も同意見だが、これは生徒が複雑な物理学や化学の世界に “簡単に “入り込めるようにするために、今でも教室で教えられている方法なのだ。

    量子の世界では、電子は電子雲として存在する。 このことから、電子は原子核の周りを永遠に飛び出したり消えたりしているが、観測されない限り一箇所に留まることはない。

    理解できなくても心配しないでほしい。私たちの最も優秀な科学者たちでさえ、量子力学を完全に解明するには至っていないのだから。 しかし、だからこそ電子は奇妙な存在であり続け、時間と空間における電子の位置は常に不安定なのだ。

    リンゴの反射曲線

    図6 軌道上の電子の古典的描写

    リンゴの反射曲線

    図7 量子力学的電子雲

    光は粒子であり波動である

    光を粒子として認識するのは簡単だ:テニスボールのように壁や鏡に跳ね返るからだ。 私たちは光の粒子を見ることはできないが、その振る舞いからそうであると推測する。

    同時に光も波であり、私たちが光を水のような波として見ることができるわけではないが、その振る舞いのためである。 二重スリット実験と呼ばれる有名な実験があり、光を2つのスリットに通したのだが、その結果は、水の波が同じ2つのスリットを通るのと驚くほど似ていた。 光は粒子としても波動としても振る舞うので、光はその両方であると考えられた。

    リンゴの反射曲線

    図8 光の光子。 それぞれの光子には色の波長がある。

    分光器を使って粒子と波を区別する

    ライトメーターは、光の粒子と波の両方の側面を測定し、見ることができる。 光は光子と呼ばれる粒子でできている。 スペクトロメーターやライトメーターは、LUXやPPFD(グローライト)を測定することで、光から来る光子の数を測定することができる。 LUXが高ければ高いほど、1平方メートルに当たる光子の数は多くなる。

    分光計は、波も測定できる高性能の光度計で、これらの波には特定の色に関連する周波数がある。 青い色は周波数が短く、赤い色は周波数が長い。

    各光子には関連する波長周波数があり、それによって色が決まる。分光計で撮影したスペクトルは、光に含まれる可視色ごとの光子の相対数を示すことができる。

    図11 青は周波数が短く、赤は周波数が長い

    ラックス

    図9 ルクス測定(ルーメン/メートル平方)

    リンゴの反射曲線

    図10 分光計によるスペクトル測定(白熱灯、LED)

    結論 – 光とは何かについてカーテンを引く。

    光はエネルギーの放出であり、ちょうど輪ゴムをパチンと鳴らすようなものだ。 より高い状態に押し上げられる軌道電子を理解しなければならない。 電子はその存在が不確かであるため、簡単に自然な状態に戻り、光子としてエネルギーを放出する。 この何十億もの電子の絶え間ない上昇と下降が、私たちがもはや当たり前と思う必要のない光の流れを生み出すのだ。

    誰でも科学者になれる!

    図。 12 すべての照明は、落下する電子を使って光子を発生させる。

    MK350S and Wing Wireless Card

    図 13 – MK350S プレミアム・フル装備分光計

    MK350S プレミアムは UPRtek のフル機能の分光光度計です。

    ライトクリティカルなプロジェクトでは、精度、柔軟性、利便性、データ保存、他の機器との接続性に欠ける、使いにくい計測器が課題となっている。

    MK350Sプレミアムハンドヘルド分光器は、研究者、教師、照明デザイナー、LEDメーカー、光規格団体に使用される万能ラボグレード装置です。

     

     

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