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線スペクトルと連続スペクトル

いろいろな光源のスペクトルを観察すると、
線になったり、連続になったりしますが、
なぜ、線になるものもあれば、連続になるものもあるのでしょうか。
線スペクトルになるしくみ、連続スペクトルになるしくみを
どなたか簡単に説明していただけないでしょうか。
よろしくお願いします。

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A 回答 (3件)

こんにちは。



電球(白熱電球、豆電球など)は、連続スペクトルになります。
太陽もそうです。
これは、熱運動によるものだからです。
電流が流されたフィラメントは高音になり、光を出します。
熱運動では粒子1個1個の運動が確率分布になるので、エネルギーがばらばらになります。
よって、連続スペクトルを呈します。
(いわば、エネルギーがばらばらの線スペクトルの集合です。)
赤外領域の光も出しますので、熱が多く出て、エネルギー効率は悪いです。

一方、蛍光灯のスペクトルは、線スペクトルです。
赤1本、緑1本、青1本の合計3本ピーク(黄色と青の2本のタイプもある)があって、
3つの混色で、人間に「白」を認識させます。
赤、緑、青、それぞれの蛍光物質が管の内側に塗布されていて、
蛍光灯内部で発した紫外線が、3種類の蛍光物質を励起し、それが基底状態に戻るとき、
赤、緑、青になります。
液晶画面のバックライトも蛍光灯です。(最近は、蛍光灯ではなくLEDのもありますが)
必要な光以外をほとんど発しないので、エネルギー効率がよいです。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

お礼日時:2010/06/21 15:33

電子・原子・分子などの量子状態には束縛状態と自由状態があります。

前者のエネルギーは離散的に分布しており、後者のそれは連続的に分布しています。

そこで、電磁波の放射や吸収が束縛状態間の遷移によって起こる場合には、その電磁波のエネルギー(=遷移する状態間のエネルギー差)は離散的であり、線スペクトルが形成されます。

これに対して、電磁波の放射や吸収が束縛状態と自由状態の間の遷移や自由状態間の遷移によって起こる場合には、その電磁波のエネルギーは連続的であり、連続スペクトルが形成されます。

ただし、束縛状態間の遷移が連続スペクトルを形成する(2光子輻射)などの例外もあります。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

お礼日時:2010/06/21 15:32

原子や分子の特定の準位間の遷移に伴うのが線スペクトル、熱源から出るのが連続スペクトル、って感じでしょうか。



線スペクトルが細かく詰まっていて連続に見える、は、なしですよね?
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
線スペクトルは辞書を引いても、
「励起状態から基底状態へ落ち込むときに光が発する」
といった表現があるのですが、
ここがよくわからないんですよね…。
>線スペクトルが細かく詰まっていて連続に見える、は、なしですよね?
線スペクトルの集まりが連続スペクトルなんですか!?初めて知りました。

お礼日時:2010/06/20 17:14

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Q蛍光灯のスペクトル

子どもの夏休みの自由研究で、DVDを使った手作り分光器でいろいろな光のスペクトルを見ています。
太陽光や電球は連続スペクトルが見れるのですが、蛍光灯などでは、緑や赤が強く光っています。
これはなぜでしょうか。
こんなに違うなんて思わなかったので、いろいろ調べてみたのですが、難しくて分かりにくいです。
小学生の自由研究ですが、スペクトルが見えるね~、いろいろだね~、で終わらせるにはもったいないので、子どもにも分かるように説明したいと思います。
よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

蛍光灯は蛍光管の内側に塗られた蛍光物質が発光することによって白色光を出します。
最近の蛍光灯には赤・緑・青を発光する3つの蛍光物質が使われています。
光の3原色で白色光を作っています。ですから、スペクトルを調べると、赤・緑・青の光が見えるはずです。

Q発光した光のスペクトルの本数と色

分光器などで分光して観測できる光のスペクトル線の本数とその色は何によって決まるのですか?

例えば水素放電管からの光を分光すると、はっきり見えるスペクトル線が3本のようです。赤色から紫色のスペクトルから3色のスペクトル線が見えるはずですが、何故水素の場合は3本なんですか?またナトリウムランプからの光だと見えるスペクトルが1本しかないのですが、この違いは原子の何によって生まれてくるのですか?
赤系の色より青系の色の光の方が振動数が大きいのでエネルギーも大きくなります。よって青系色のスペクトルはそれだけ高いエネルギー準位から落っこちてきた電子が出した光だという事になると思います。すると電子が出す光は励起されてエネルギー準位が上へ行き、何らかでそのエネルギー準位が落ちたその落差によって発光した光のスペクトルが決まるのではないかと思います。つまり小さいエネルギーを与えて励起させた電子は、昇ったエネルギー準位も低いので落差も小さくなるので赤や橙の色を出す。一方、大きなエネルギーを与えて励起させた電子は昇ったエネルギー準位も高いので落差が大きく、それだけ大きなエネルギーの光(紫や藍)を出すのではと思いました。しかし、実際は与えたエネルギーではなく、その原子の種類によって決まるそうなのですが何が間違っているのでしょうか。

発光した光のスペクトルの本数とその色はその物質(原子)の何によって決定されるのですか?出来れば併せて、種類によってスペクトルが連続と不連続になる理由も教えてもらえると有り難いです。

分光器などで分光して観測できる光のスペクトル線の本数とその色は何によって決まるのですか?

例えば水素放電管からの光を分光すると、はっきり見えるスペクトル線が3本のようです。赤色から紫色のスペクトルから3色のスペクトル線が見えるはずですが、何故水素の場合は3本なんですか?またナトリウムランプからの光だと見えるスペクトルが1本しかないのですが、この違いは原子の何によって生まれてくるのですか?
赤系の色より青系の色の光の方が振動数が大きいのでエネルギーも大きくなります。よって青系...続きを読む

Aベストアンサー

最後の答えに行くまでにいくつかの基本的な事柄を押さえる必要があります。

まず本数についてですが見えていないだけで実際の本数はもっと多いです。ナトリウムにしても実際はその目立つD線だけではなくてもっと多くの本数が出ています。ただ,他のスペクトルは暗いので見えていないだけです。

次に,エネルギーと明るさですが,これを混同してはいけません。同じ波長の光なら明るい方がエネルギーは高いですが,波長が異なる光を比べたときには明るい方がエネルギーが高いとは必ずしもならない。何故かというと,振動数がνの光は一つ当たりhνのエネルギーを持った粒子で,光が明るいかくらいかは,おおよそ,この粒子の数で決まります。この光の粒子を光子といいますが,明るい暗いはおもにこの放射される光子の数の問題で,質問されてるような波長によるエネルギーの議論は光子一つのエネルギーの問題ですので,切り分ける必要があります。

三番目に,原子内電子のエネルギー準位についてですが,まずは水素原子のボーアのモデルを勉強してください。ボーアのモデルは電子軌道については今日的には間違っていますが,エネルギーについては完全に正しい結果を与えます。ボーアのモデルは理解もたやすく,原子の発光スペクトルの仕組みも分かるはずです。なぜ原子ごとに発光する光の波長がちがうのかは,この原子内の電子のエネルギー準位が原子ごとに異なるからということになります。

ボーアの原子模型
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%A2%E3%81%AE%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%A8%A1%E5%9E%8B

原子構造のボーアモデル
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/ryosi/bohrmodel.htm

最後に,なぜ明るい線と暗い線があるかですが,この電子の軌道間の遷移にはおこりやすい遷移とおこりにくい遷移があります。これを決めているのが遷移確率と言うもので,遷移確率が大きい遷移は多数回おこるので多くの光子を放出して明るく見え,遷移確率が小さい遷移はあまりおこらないので放出される光子も少なく暗くなります。原子の種類ごとにこの遷移確率の大小が異なるので,目立って見えるスペクトルもかわってきます。

最後の答えに行くまでにいくつかの基本的な事柄を押さえる必要があります。

まず本数についてですが見えていないだけで実際の本数はもっと多いです。ナトリウムにしても実際はその目立つD線だけではなくてもっと多くの本数が出ています。ただ,他のスペクトルは暗いので見えていないだけです。

次に,エネルギーと明るさですが,これを混同してはいけません。同じ波長の光なら明るい方がエネルギーは高いですが,波長が異なる光を比べたときには明るい方がエネルギーが高いとは必ずしもならない。何故かというと...続きを読む

QW/V%とは?

オキシドールの成分に 過酸化水素(H2O2)2.5~3.5W/V%含有と記載されています。W/V%の意味が分かりません。W%なら重量パーセント、V%なら体積パーセントだと思いますがW/V%はどのような割合を示すのでしょうか。どなたか教えていただけないでしょうか。よろしくお願いいたします。

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w/v%とは、weight/volume%のことで、2.5~3.5w/v%とは、100ml中に2.5~3.5gの過酸化水素が含有されているということです。
つまり、全溶液100ml中に何gの薬液が溶けているか?
ということです。
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Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q線スペクトルの原理について

「19Cに、水素ガスの放電により発光した光の波長が測定され、バルマー系列を初めとしてライマン系列、パッシェン系列が発見された」

というところで疑問に思ったことがあります。

高校の教科書には、プリズムにより分光した光が描く、細く黒い縦線の線スペクトルの写真があり、それぞれの場所が●●Å・・・と記されていたのですが、実際にどのようにして光は線スペクトルに視覚化され、それぞれ数値化されるのでしょうか?

現在では、何か簡単な測定機器が存在していると思われますが、当時の方法、そして原理はどうだったのかを特に知りたく思ってます(また、それは現在とは違うのでしょうか?)

何かご存知の方いらしたら、ご回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

昔から水銀の基線で分光器を校正しています。
今でもそのやり方は変わりません。(極短波長や赤外の長波長は異なります)

要するに波長のわかっている光源で校正すると言うことです。分光器は分散とどこかの一つの波長がわかれば校正できます。(つまり最低2つの基線を測定すればわかる)
プリズムでもグレーティングでも計算通りの位置に現れますから。

水銀ランプの基線から波長は、たとえば干渉させて波長を求めることが出来ます。

>実際にどのようにして光は線スペクトルに視覚化され
分光器であればそのようになりますが、仕組みがわからないと言うことでしょうか?
基本的にはスリットを通った光をレンズや凹面鏡で平行にしてプリズムに入射し、屈折して分光された光をもう一度レンズや凹面鏡で集光すると、角度の違いを位置の違いとして取り出せます。
完全な単色光であれば、スリットの像が集光位置に結像します。

Q蛍光灯と太陽の光の違いは?

物の色が見えるのは可視光線の為だとういことはわかりましたが。

でも、夜、蛍光灯でものが見えるのはなせなんですか?

太陽光と、蛍光灯の共通点、相違点を教えてください。

Aベストアンサー

まず「見える」とは,何かの光源から出た光が物体に当たって反射し,
その反射光が目に入る,その光量は目が感応するに必要な強度である,
と言うことです.

太陽光と蛍光灯の共通点は,どちらも,
「連続波長の光を出している」
ところです.連続波長ではなく,単一波長(近似的に)のものとしては,
レーザーとかLED(発光ダイオード)があります.
何にせよ,最初に書いたような物理によって「物が見える」ことには
変わりありません.しかし光源から出る光によって,異なった色に見える
ことがあります.

連続波長の場合,光(電磁波)は発光する物体の温度に応じた波長分布の
光を放出します(黒体輻射(放射),プランクの式).
太陽は,その表面温度6000℃によって決まる波長分布の光を出しています.
この分布は,光源の温度が異なれば,違って来ます.
なので,太陽光の下で見た場合と,蛍光灯の下で見た場合とでは,
若干色が異なります(色温度が異なる).

蛍光灯の仕組みは,放電管中にある薄い水銀蒸気の中で放電を行うことで,
水銀特有の単一波長の光(近紫外線~可視域)が出ます.このとき出す光は,
1万度以上の温度による連続波長が出ます.
(水銀蒸気の圧力は小さいので,1万度以上でも熱容量が小さいので,
 蛍光灯を触ってもそんなに熱くない.)
これを蛍光灯の管の内側に塗布された蛍光塗料が可視光線に変換します.
つまり蛍光灯の波長分布,色は,この蛍光塗料によって決まります.
これはプランクの式に従わないものなので,この点では太陽光とは
異なっています.

ちなみに白熱電球は黄色っぽい光を出しますが,これはフィラメントを
電流によって加熱することで,フィラメントの温度3000℃程度の
波長分布の光を出しています.
また,単一波長(に近い)の光で物を照らした場合,例えばリンゴに
赤い光を当てれば見えますが,青い光を当てると見えにくくなります.

まず「見える」とは,何かの光源から出た光が物体に当たって反射し,
その反射光が目に入る,その光量は目が感応するに必要な強度である,
と言うことです.

太陽光と蛍光灯の共通点は,どちらも,
「連続波長の光を出している」
ところです.連続波長ではなく,単一波長(近似的に)のものとしては,
レーザーとかLED(発光ダイオード)があります.
何にせよ,最初に書いたような物理によって「物が見える」ことには
変わりありません.しかし光源から出る光によって,異なった色に見える
ことが...続きを読む

Q太陽の光について。

太陽の光はどうしてスペクトルにならないのですか?

という問題がありました。
私自信でも色々調べたのですが、太陽の光もスペクトルになるという認識になっています。
この問題について説明できる方お願いいたします。

Aベストアンサー

#1です。補足します。
太陽光は連続スペクトルと(とびとびの)線スペクトルの合わさったものです。
連続スペクトルはどんな物体からでも出てくる光のスペクトルでその物体の温度で決まっています。線スペクトルは太陽を構成している元素(ほとんど水素とヘリウムです)が発光・吸収する波長がとびとびであることから起こります。さらに,地球上の空気も太陽光を吸収しますから,その吸収スペクトルも重なってきます。
太陽光をプリズムで簡単に分光するだけならほとんど連続スペクトルのように見えます。もっとちゃんとした分光器を通すと線スペクトルが見えてきます。
太陽スペクトルの写真はGoogleなどで検索するといくらでも見ることが出来ます。

Qクラウジウス-クラペイロンの式について

以前 QNo.125760 水の温度変化の質問の中でクラウジウス-クラペイロンの式について出ていましたが、いまいち理解できません。この式について、詳しく噛み砕いてお教え願えないでしょうか?
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

クラウジウス-クラペイロンの式は、蒸気圧曲線の傾きを求める公式です。

クラウジウス-クラペイロンの式を使うと、『蒸気圧曲線が温度の単調増加関数であること』を、簡単に証明することができます。蒸気圧曲線が温度の単調増加関数であるということは、「温度が高くなれば飽和蒸気圧が高くなり、温度が低くなれば飽和蒸気圧が低くなる」ということです。ですから、これと、「飽和蒸気圧が大気圧と等しくなる温度で液体は沸騰する」ということをあわせて考えると、

「大気圧が低ければ沸点は降下し,高ければ沸点は上昇する」

ということができます。つまり、クラウジウス-クラペイロンの式を使うと、大気圧が変わると沸点が変わることを説明できます。

以下は、クラウジウス-クラペイロンの式に関する説明です。

温度 T のときの蒸気圧曲線の傾き dP/dT は、温度 T のときの気化熱(蒸発熱)L、温度 T のときの飽和蒸気の体積 vg、温度 T のときの液体の体積 vl と、式(1)の関係があります。

dP    L
― = ――――     (1)
dT  T(vg-vl)

この式をクラウジウス-クラペイロンの式といいます。ここで、温度 T は摂氏温度ではなく、絶対温度です。また気化熱には、モル当たりの気化熱、体積 vg と vl にはモル当たりの体積を使います(気化熱に1グラム当たりの気化熱を使ってもいいです。このときは体積 vg と vl には1グラム当たりの体積を使います)。

気化熱 L は正の値、絶対温度 T も正の値、飽和蒸気の体積と液体の体積の差 vg-vlも正の値ですので、式(1)の右辺は正の値になります。よって、dP/dT > 0 となり、蒸気圧曲線が温度の単調増加関数であることが証明されました。

式(1)は、「熱力学的に厳密な式」と呼ばれる類の、とても正確な式なのですけど、このままでは少し使いづらいので、近似式が使われることが多いです。

近似1:飽和蒸気の体積 vg は液体の体積 vl よりずっと大きいので、vg-vl=vg と近似する。
近似2:蒸気を理想気体だと考えて、vg=RT/Pと近似する。ここで R は気体定数、Pは飽和蒸気圧。

この二つの近似を使うと、式(1)の近似式は式(2)になります。

dP   L P
― = ―――     (2)
dT  R T^2

この式もクラウジウス-クラペイロンの式といいます。式(1)にあった飽和蒸気の体積 vg と液体の体積 vl が式(2)では消えているので、式(2)の方が、式(1)よりも使いやすい形をしています。

もうひとつ近似を入れると、蒸気圧曲線の傾きだけではなく、『蒸気圧曲線そのもの』を求める公式を得ることができます。

近似3:気化熱 L は、温度に依らない。

この近似は、前の二つの近似と比べると、ちょっと荒い近似なのですけど、ともかくこの近似を使うと、蒸気圧曲線を求める公式が得られます。

ln(P/101325Pa)=(L/R) (1/Tb - 1/T)     (3)

この式もクラウジウス-クラペイロンの式といいます。左辺のlnは、自然対数(eを底とする対数)をとることを意味します。またTb は、圧力が1気圧=760mmHg=101325Pa のときの沸点です。

クラウジウス-クラペイロンの式と呼ばれている式がいくつもあって、ちょっと紛らわしいのですけど、まあどれも似たようなものですし、式の違いが重要なときには、たいてい数式が書いてありますから、混乱することは少ないと思います。QNo.125760 に数式が書いていないのは、高校生向けに書かれたものだからでしょう。

クラウジウス-クラペイロンの式は、蒸気圧曲線の傾きを求める公式です。

クラウジウス-クラペイロンの式を使うと、『蒸気圧曲線が温度の単調増加関数であること』を、簡単に証明することができます。蒸気圧曲線が温度の単調増加関数であるということは、「温度が高くなれば飽和蒸気圧が高くなり、温度が低くなれば飽和蒸気圧が低くなる」ということです。ですから、これと、「飽和蒸気圧が大気圧と等しくなる温度で液体は沸騰する」ということをあわせて考えると、

「大気圧が低ければ沸点は降下し,高けれ...続きを読む

Q線スペクトルの波長を決める公式?

ボーアの水素原子のモデルから予想される線スペクトルの波長を決める公式とはなんでしょうか?

ヒントだけでも構いません。
よろしく願いします。

Aベストアンサー

 ボーアモデルは、「量子条件=電子は許される特定の軌道のどれかのみを回る」「振動数条件=電子が軌道を移動するとき、その軌道によるエネルギーの差に対応する電磁波を出す」という二つの条件から、水素の発する光の波長(または振動数)を計算するものです。

 電子は特定の軌道しか回れない、というのは、古典物理にはない考え方です。一方、電子がある軌道を回っているときに持つエネルギーは古典物理で計算したものを使っています。
 まあ、中途半端とも言えますが、うまく実験事実を説明できたので、「古典物理にはない考え方」を持ち込むことに成功して、量子論への道を開いた考え方だったといえるでしょう。ボーアの理論は「前期量子論」などといわれるようです。

 質問とちょっとずれた解答になってしまいました。公式の導出等についてはこういう掲示板では書きにくいですね。いろんなサイトがあるので、参考になるところを探してください。検索はそんなに難しくないと思いますよ。

一例
http://www.fnorio.com/0017Bohr%27s_hydrogen_atom_model/1Bohr%27s_hydrogen_atom_model.htm
http://www.weblio.jp/content/%E3%83%9C%E3%83%BC%E3%82%A2%E3%83%A2%E3%83%87%E3%83%AB#.E9.87.8F.E5.AD.90.E6.9D.A1.E4.BB.B6

 ボーアモデルは、「量子条件=電子は許される特定の軌道のどれかのみを回る」「振動数条件=電子が軌道を移動するとき、その軌道によるエネルギーの差に対応する電磁波を出す」という二つの条件から、水素の発する光の波長(または振動数)を計算するものです。

 電子は特定の軌道しか回れない、というのは、古典物理にはない考え方です。一方、電子がある軌道を回っているときに持つエネルギーは古典物理で計算したものを使っています。
 まあ、中途半端とも言えますが、うまく実験事実を説明できたので...続きを読む

Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む


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