光の性質について少し教えてください

皆既日食の説明を見るとあたかも地球がレンズのようになり、光が回り込んでいます。
https://astropics.bookbright.co.jp/wp-content/up …
赤い光が見えるというのはレイリー散乱で説明が付きますが、なぜ、光が曲がるのでしょうか？
回折とは違う原理ですか？

レイリー散乱ではなぜ波長が変わらないのでしょうか？

水面や金属面にぶつかった光はなぜ同じ波長で散乱(反射)するのでしょうか？
逆に、蛍光塗料が塗られている所に光を当てると波長が変わったものが散乱光として反射されます。これはなぜでしょうか？
なぜ、一方は波長変更なし、一方は波長変更有りになるのか原理がよく分かりません。

No.7 回答者： stomachman 回答日時： 2022/11/09 22:09

No.6は編集ミスりました。

やり直し。

> 原子にあたった電磁波はその中の電子などを励起はしないのでしょうか？

　反射は、光子が原子に衝突したために生じるわけじゃありません。電磁波にとっての「誘電率と透磁率が変化する界面」で生じる現象です。うるさく言えば「光量子のあらゆる軌道に沿った経路積分を考えると、その停留曲線上で確率振幅が最大になる」という話になって、ちとめんどくさい。そこで第一次近似としては「ホイヘンスの原理」で理解するのが良いと思います。すなわち、界面上の至る所で球面波が発生し、それらの波面の位相が揃う方向に合成された平面波が発生して鏡面反射になる。（光の波長よりも大きな凸凹がある、反射率が高い表面での反射は、凸凹の斜面で生じた反射光がさらに凸凹に当たる、ということを繰り返して結局ほとんど吸収されるんで、表面は黒っぽく見える。）
　反射されなかったぶんはどうなるか。金属の表面からいくらも深くないところで光が光子として原子に衝突する、この現象をミクロに見れば散乱です。そのエネルギーが光電効果を起こせば、飛び出した電子が周囲の原子と相互作用する。原子を励起して蛍光を生じれば、その蛍光の光子がまた周囲の原子と相互作用する。いずれにしても、結局、原子をランダムに揺することで熱運動のエネルギーになり、最終的には赤外線の放射として解消される。だから、マクロに見れば、これは光が吸収されたということに他ならない。
　「ほとんど透明」な物質の中では光は電磁波として振る舞い「単に誘電率と透磁率が違う空間」を伝播していく。（光の波長よりも大きな凸凹がある、透明度が高い表面へ進入した光のほとんどは、凸凹の斜面で生じた屈折のために結局別の凸凹の部分へと透過して外部に戻るので、表面は白っぽく見える。）

No.6 回答者： stomachman 回答日時： 2022/11/09 21:57

No.4へのコメントについて。

> 原子にあたった電磁波はその中の電子などを励起はしないのでしょうか？

　反射は、光子が原子に衝突したために生じるわけじゃありません。電磁波にとっての「誘電率と透磁率が変化する界面」で生じる現象です。うるさく言えば「光量子のあらゆる軌道に沿った経路積分を考えると、その停留曲線上で確率振幅が最大になる」という話になって、ちとめんどくさい。そこで第一次近似としては「ホイヘンスの原理」で理解するのが良いと思います。すなわち、界面上の至る所で球面波が発生し、それらの波面の位相が揃う方向に合成された平面波が発生して鏡面反射になる。（光の波長よりも大きな凸凹がある、反射率が高い表面での反射は、凸凹の斜面で生じた反射光がさらに凸凹に当たる、ということを繰り返して結局ほとんど吸収されるんで、表面は黒っぽく見える。）
　金属の表面からいくらも深くないところで光が光子として原子に衝突する、この現象をミクロに見れば散乱です。そのエネルギーが光電効果電子を起こせば、飛び出した電子が周囲の原子と相互作用する。原子を励起して蛍光を生じれば、その蛍光の光子がまた周囲の原子と相互作用する。いずれにしても、結局は原子をランダムに揺することで熱運動のエネルギーになり、赤外線の放射として解消される。だから、マクロに見れば、これは光が吸収されたということに他ならない。
　反射されなかったぶんはどうなるか。「ほとんど透明」な物質の中では光は電磁波として振る舞い「単に誘電率と透磁率が違う空間」を伝播していく。（光の波長よりも大きな凸凹がある、透明度が高い表面へ進入した光のほとんどは、凸凹の斜面で生じた屈折のために結局別の凸凹の部分へと透過して外部に戻るので、表面は白っぽく見える。）

No.5 回答者： yos1912 回答日時： 2022/11/09 18:19

お礼への回答のようなものです。

正確なことはわからないのですが、一般的にいわれていることからの類推です。

＞地球で回折が起こらないのかということについて
起こっているのでしょう。量はどれくらいかわかりませんが、観測に影響するほどの大きさではないというのははっきり言えます。おそらく無視してもいいくらいの大きさなのでは。
　皆既月食と同時に天王星食が起こりました。回折があるとすると、天王星が隠れたりでてきたりする時刻は回折の分だけ実際よりもずれます。ところが、星食等を厳密に測定することによって、地球上の緯度や経度が求められたり、月までの距離や大きさを求めたりしています。このようなことができるのは、解説が非常に小さいということを示しています。
　天体観測で回折が問題となるのは、対物レンズや反射鏡の縁で回折した光が星像を乱すという現象くらいです。これもレンズなどが大きくなると影響は小さくなります。相手が大きいと回折の影響も小さくなるのかも。
　ボールの光の回折による回り込みは見たことがありません。影の輪郭がぼやけるのは、光源が点ではなくある程度の広がりを持っているからです。平行といわれる太陽光でも、影の長さの１００分の１の大きさでぼやけます。太陽だって結構大きさがあります。

＞反射について
　波や粒子はものにあたると跳ね返るので、光だって当然反射するものと思っていました。説明せよとなると..。
　宇宙ができた頃に晴れ上がりという現象が起こります。何かというと、宇宙に満たされていた電子や陽子に光子がぶつかると、跳ね返されていました。それが宇宙の温度が下がり陽子と電子がくっつき電気的に中性の水素原子にかわったことによって、光子が自由に進めるようになった現象です。
　光は電磁波で電場や磁場を作りながら進んでいますから、電気を持つものに進路が影響を受けるとことがありそうです。金属表面には自由電子がたくさんありますからそれによって跳ね返されているのかも。ガラスのような平らなものでも、表面に斜めに当たれば、分子表面にある電子の影響をたくさん受けそうです。

No.4 回答者： stomachman 回答日時： 2022/11/09 15:29

> なぜ、光が曲がる

　主として、光線が大気差で曲がることによる現象です。高度によって大気の密度が異なることによる屈折（大気差）は、地表面で地平線方向（視高度0°）において約0.5度、つまり（たまたまですが）月の視直径とほぼ同じです。また、大気で散乱した光は、波長が長いほど直進しやすいんで、月まで赤い光線が届く。皆既月食の最中に月面から地球を眺めたらどう見えるか、を絵に描いてみると面白いと思います。
　回折はほとんど効きません。月面を回折光で虹色に染めるために必要な回折角は少なくとも月の視直径の半分ですから、結構大きい。

> 水面や金属面にぶつかった光はなぜ同じ波長で散乱(反射)するのでしょうか？

どの波長についても現象に（さしたる）違いがないからです。（例えば金箔の表面に入射した光は、波長によって反射率が違うために、金色に見えますね。）

> 蛍光塗料が塗られている所に光を当てると波長が変わったものが散乱光として反射

　それは散乱でも反射でもありません。蛍光物質は照射光の特定の波長によって励起されて高いエネルギー状態に遷移し、そのエネルギーを何段階かに分けて放射して基底状態に戻るんです。（この放射の半減期がうんと長ければ蓄光物質と呼ばれます。）蛍光物質が放射する光の波長は、各段階ごとに正確に決まっていて、照射光のスペクトルを変えても（励起されさえすれば）放射する波長は同じです。また、放射する光に指向性はない（どっちから来た光で励起されたか、なんてことは憶えていない）ので、照射光と放射光の間に「反射」の関係は生じません。

この回答へのお礼

わかりやすい説明ありがとうございます。
月から眺めた場合ですが、視直径がイメージできませんでしたが、想像以上に太陽が小さく、この部分は予想通りでしたが、周りが赤くなるのですね。
大気のない皆既日食とはこの点が大きく違いそうです。
https://astropics.bookbright.co.jp/lunar-eclipse …

この反射という現象がよくわからない感じです。原子にあたった電磁波はその中の電子などを励起はしないのでしょうか？励起しないとしてもどのような感じで反射が起きるのかよくわからない感じです。
金箔については反射しなかった光は熱？赤外線などに波長が代わったと考えるべきなのでしょうか？

蛍光については私の理解通りと思います。ただ、蛍光発光の原理(エネルギーを受けて電子が移動してもとに戻るとき特定の波長の光になる)を考えると、普通の反射というものが不思議で仕方がないのです。エネルギーを与えたにも関わらず、何も起こらず通過するわけでもなく反射するのがよくわからない感じです。

お礼日時：2022/11/09 19:20

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2022/11/09 10:10

月食の地球光は、回折や大気の濃度差により屈折が原因でしょう。

基本的に電磁波によって電気/磁気双極子が誘起され
それが放つひかりの周波数は、元の光の周波数と同じです。

反射、散乱、屈折、回折はこれですね。

蛍光は原子・分子が、
光のエネルギーをあるエネルギー準位間の遷移で吸収し、
それの一部を別のエネルギー準位間
遷移で放出するという少しややこしい現象です。

場合によっては光を吸収してから数時間後に放出する
蓄光というものもありますが、蛍光は瞬時に光放出
するものを指します。

日常ありふれているのは、紫外線を吸収して可視光を放つ
蛍光灯かな(我が家にはもう一灯しかないけど・・・)。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます。

>電気/磁気双極子が誘起
この部分の説明が正直難しすぎてよく分からないです。

蛍光のようにエネルギーを一時的に吸収・励起して、放出するのとは違うのでしょうか？

ちなみに、我が家も蛍光灯は少なくなりましたが、安いLEDが多いため、LEDを分解すると黄色い蛍光塗料が塗られていて結局は蛍光灯と同じように蛍光発光で白色を作っているっぽいです。

お礼日時：2022/11/09 19:25

No.2 回答者： stomachman 回答日時： 2022/11/08 23:25

> 皆既日食の説明

月食でしょ？

この回答へのお礼

間違えていました。すみません。月食になります。

お礼日時：2022/11/08 23:55

No.1 回答者： yos1912 回答日時： 2022/11/08 22:30

地球の大気は地表近くほど気圧が大きい(＝密度が大きい)ため光の速度が遅くなりますからそれに応じて、屈折します。

地平線上の星を見ていても、この屈折現象によって、沈んでいる星が見えたり、太陽や月がひしゃげて見える現象が起こります。これは大気差と呼ばれています。
　蛍光の原理は、ググればすぐにわかると思いますので省略させていただきます。いったん物質に吸収されているかいないかの違いです。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます。

大気差というのですね。ガラスレンズと同じように物質があるところほど屈折率が高く曲がるのですね。大変参考になりました。
ちなみに、私は当初回折かと思っていたのですが、回折は起きていないのでしょうか？ボールなどに懐中電灯を当てると光が少し回り込みますよね？

どちらかというと、蛍光については分かるのですが、普通の反射がよくわからないのです。ぶつかった物質の電子などにエネルギーを与えていますよね？励起とは異なるのでしょうか？

お礼日時：2022/11/08 22:51