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プランクの法則から何がわかるのですか?また、法則の意味を、中高生にでも分かるように、要点のみをかいつまんで教えていただけないでしょうか。

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A 回答 (5件)

#2です。

「お礼」の疑問にお答えします。

>「プランクの法則」「プランクの公式」は同じものなのかよくわかりません

プランクの法則は厳密にいうと、
E=nhν (nは自然数:1、2、3・・・無限大まで)
です。(#2の回答では、nを省略してしまいました。ごめんなさい。物理を研究している人は、E=hν のことをプランクの法則と呼んでいるので、そのまま使ってしまいました。混乱させてしまったようです)

プランクの公式は、式が難しくて、
U(ν)dν=8πkβ/c^3*1/exp(βν/T)-1*ν^3dν
となります。(expは指数関数で普通はeと書きます。^はべき乗、10の2乗は 10^2=100 です。*は掛け算のことで普通はxと書きます。πは円周率、kはボルツマン定数、βは定数でkβ = h です。この記号βは解らなくてもかまいません。専門家しか使いませんから。U(ν)dνも意味が解からなくてもいいです、名前は、U(ν)dνがエネルギー分布、dνが微分記号です)
参考URLの「プランクの公式が実験値を いかに良く再現するか 下図 で明らかでしょう」の「下図」を言葉でやさしく教えてくれているのが、#3さんの回答です。
これで「プランクの法則」と「プランクの公式」違いが、解っていただけたでしょうか?
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この回答へのお礼

再度教えてくださり、ありがとうございます。
つまり、「振動数とエネルギーは比例関係であり、光速は一定なので、発する光の波長を調べることでエネルギー量を求めることができる。」ということなのでしょうか。
もっとおおざっぱに言ってしまうと、「温度(エネルギー)と発する色(波長)は密接した関係を持つ。」と言うことなのでしょうか。

お礼日時:2003/09/05 11:23

#4です。


あなたの「お礼」のとおり、物質から出る光の波長からその物質の温度がわかります。
参考URLは、人工衛星から地球上の温度分布を調査しているプロジェクトです。地球上の温度分布から、色々なことがわかります。(リモート・センシングといいます)
他にも、鉄を製造する時に融けた鉄の温度を、「色温度計」という光の色から調べる温度計もあります。(市町村の「ごみの焼却炉」にも使われています)

参考URL:http://www.science.aster.ersdac.or.jp/jp/about_a …
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ある物体の出す色の分布を観測すると,その物体の温度が分かります.


例えば電球の輝きや,ニクロム線コンロの赤熱,恒星や惑星等の天文観測.
(実際には原子や分子によって異なる色が突出して現れたり,
 その部分の色が消えていたりもしますが,それはここでは考えていません.)

プランクの法則を理解する為に,まず電磁波にはいろいろあって,
それぞれが波長(又は周波数)の異なるものであることを知って置く必要があります.
ある温度の出す電磁波の分布は,全波長域に渡って分布し,
ある特定の波長で最大値となる,と言う形になります.
この最大値の場所が,温度が高いとだんだん波長の短い(エネルギーの高い)方へ
ずれて行きます.

金属を加熱すると,最初何もないものがだんだん赤くなり,
次第に黄色くなって行きますが,これは金属の温度が高くなることで,
最初赤外線を出しているので変化が目に見えないものが,
より波長の短い可視光線となり,赤より波長の短い黄色程度になる,と
言う現象です.
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この回答へのお礼

情報をありがとうございます。プランクの法則を説明するには難しそうですが、このことでしたら中高生にも説明できそうです。ありがとうございます。

お礼日時:2003/09/03 14:34

>プランクの法則から何がわかるのですか?



E=hν (Eはエネルギー、hはプランク定数、νは振動数を表す)
つまり、エネルギーは振動数に比例する。エネルギーは粒子のように1個2個と数える事が出来る。今まで信じられていた(といっても、19世紀末までのことですが・・・)物理学を一気に覆す大発見に発展していく切っ掛けになった法則です。
この発見後、微少な世界(原子、原子核、素粒子・・・)を説明するには、hというプランク定数なしでは出来なくなりました。そして、量子力学という新しい物理学がどんどん発展していっています(現在も進行中)。
参考URLは、この発見の元となった経緯が説明されています。

参考URL:http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWor …
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この回答へのお礼

プランクの公式についての情報ありがとうございます。
「プランクの法則」「プランクの公式」は同じものなのかよくわかりませんが、
これを中高生に説明するのは難しいことは分かりました。
ありがとうございました。

お礼日時:2003/09/03 14:36

詳細は 参考URLを見てもらえればいいと思いますが、


中高生にでも分かるように説明するのは 難しそうですね。

参考URL:http://www.science.aster.ersdac.or.jp/jp/glossar …
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この回答へのお礼

情報ありがとうございます。
このページは僕も見つけましたが、僕自身が理解できずに断念しました。
ありがとうございました。

お礼日時:2003/09/03 14:37

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Aベストアンサー

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
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・よって、『2.43E-19』とは?
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補足:
・E+数値は 10、100、1000 という大きい数を表します。
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・数学では『2.43×10』の次に、小さい数字で上に『19』と表示します。→http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E6%95%B0%E8%A1%A8%E8%A8%98
・最後に『回帰分析』とは何?下の『参考URL』をどうぞ。→『数学』カテゴリで質問してみては?

参考URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9E%E5%B8%B0%E5%88%86%E6%9E%90

★回答
・最初に『回帰分析』をここで説明するのは少し大変なので『E』のみ説明します。
・回答者 No.1 ~ No.3 さんと同じく『指数表記』の『Exponent』ですよ。
・『指数』って分かりますか?
・10→1.0E+1(1.0×10の1乗)→×10倍
・100→1.0E+2(1.0×10の2乗)→×100倍
・1000→1.0E+3(1.0×10の3乗)→×1000倍
・0.1→1.0E-1(1.0×1/10の1乗)→×1/10倍→÷10
・0.01→1.0E-2(1.0×1/10の2乗)→×1/100倍→÷100
・0.001→1.0E-3(1.0×1/10の3乗)→×1/1000倍→÷1000
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Qエクセルで片対数グラフを作る

エクセルで片対数グラフを作る方法を詳しく教えてください。お願いします。

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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。

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Q過冷却について

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過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在するのが安定」です。しかし「どれくらいの時間をかけたらその状態に至るのか」は教えてくれません。その状態に1秒で移行するかも知れませんし、1億年かかるかも知れません。

「熱力学的に安定ではないのだが存在できている」例で、一番分かりやすいのがダイヤモンドでしょう。常温常圧における炭素の安定相はグラファイトでありダイヤモンドではありません。ダイヤモンドは本来、常温常圧では存在してはいけない物質なのです。
しかしダイヤモンドがグラファイトに転化するには、とんでもなく高いエネルギー障壁を乗り越えて構造を組み換えねばなりません。この組み換えが起こる確率は非現実的なほどに低いので、事実上常温常圧でもダイヤモンドはダイヤモンドのまま存在できます。

0℃以下になった水も、その安定相は当然に固体である氷です。ところが上記のダイヤモンド→グラファイトの場合と同様、水が氷に変化するにはある障壁を乗り越えなければなりません。実際にはその障壁は大して高くないので水を凍らせるのは別に難しくないのですが、いずれにしても「きっかけが必要」とは言えます。
水に限らず液相→固相の変化において、このきっかけ(あるいは障壁)に相当するのが「核発生」です。核発生理論についてはすでに十分な検討がなされ、学説としては確立しています。

いま液体が融点以下に冷やされて、下の図のように液体の中に小さな固体の粒(核)が発生したとします。この粒は大きく成長できるのでしょうか、それともやがて消滅してしまうのでしょうか。

 液体
   / ̄\
   │固体 │
   \_/

この場合のエネルギー収支を考えてみると
・液体が固体になったことによりエネルギー的に得した分(潜熱放出)

・液体と固体との境界が生じたことによりエネルギー的に損した分
があります。後者のことを「界面エネルギー」などと呼びます。界面エネルギーの概念はややなじみにくいかとも思いますがとりあえずは、異なる相が接している場合にその部分に余分なエネルギーが必要になる、と理解すればよいでしょう。
さて、液体が固体になったことによる自由エネルギー低下分は固体部分の体積、すなわち半径の3乗に比例します。後者は表面積に比例しますから、結局半径の2乗に比例します。これらを差引きして考えると、半径rが大である核ほどエネルギー的に安定であることになります。逆に小さな核はエネルギー的に不安定なため、やがて消滅してしまうことになります。
「小さな核はやがて消滅してしまうのであれば、いつまでたっても核は成長できないのではないか?」
これもおっしゃる通りです。しかし実際には核は生成します。それはどういうことかと言うと、分子は常に離合集散を繰り返しているわけですが、その集合体がたまたま生き残れるために必要な大きさに(確率的に)達したとすると、その先は安定して成長できるようになるからです。

もう少し、数式も取り入れながら説明したいと思います。
いま液相中にnモルの固相が析出し半径rの結晶相(固相)が発生したとします。その場合の自由エネルギー変化ΔG(n)は
ΔG(n)=4πr^2 γ-nΔμ  (1)
と表されます。γは液相-固相の界面エネルギー、Δμは1 molあたりの自由エネルギー変化です。Δμは過飽和度(過冷却度)の関数であり、過飽和度が大きくなればΔμも大きくなります。

析出する結晶相を球形に近似すれば、結晶相のモル体積をνとして
ΔG(r)=4πr^2 γ-(4πr^3 Δμ)/3ν  (2)
と表されます。
(2)をrで微分して0に等しいとおくと、ΔG(r)が極大をとるrの値が
r=2γν/Δμ  (3)
と求まります。
このrの値を臨界半径(臨界曲率半径)などといいr*で表します。これ以上大きいサイズの原子クラスター・分子クラスターであれば、大きくなればなるほど自由エネルギーが下がりますから安定して成長することができます。
Δμを大きくすれば、換言すれば過冷却度を大きくすればr*は小さくなり、確率的なゆらぎで発生した核は小さいものでも生き残れるようになります。よって水の場合、0℃ではすぐに凍らなくとも、-1℃、-2℃と温度を下げればΔμが大きくなり、ついには発生した核が安定して成長し次々と凍ることになります。これが過冷却現象の正体です。
核発生についてご興味があれば参考ページの[1]などもご覧ください。

ついでに、正しい知識について整理しておきましょう。
水を0℃以下の場所に置けばいずれはその場所と同じ温度になるのは確かです。そしてその温度になるのであれば、どれだけ時間がかかろうとも最終的には凍ります。大気圧で0℃以下の環境における水の安定相は、液体でなく固体だからです。「大気圧で0℃以下の環境で、液体の水は平衡状態にはない」なんて当たり前のことを言っているに過ぎません。
過冷却によって0℃以下の水が液体の状態を取りうるのは事実ですが、それは過渡的な現象に過ぎません。「いずれは」と言うなら仮に過冷却がおきようとも、水は最終的に「氷になる」というのが正しい帰結です。過冷却がおきたからといって、0℃以下の環境において水が安定相となることはあり得ません。

また過冷却の水が凍り始めれば確かに潜熱を放出し水の部分の温度は上がります。しかし水の部分の温度が0℃になったからといって凝固が停止するわけではありません。0℃(より厳密に言うなら水の融点)において、水と氷は任意の割合で共存できます。「過冷却状態の水の当初の温度によって、0℃になった時の氷水の氷/水の分量が違ってくる」というのは何かの間違いでしょう。水/氷の系と外界との間にエネルギーのやり取りがないなら分量は変わってきますが、今は「系を0℃に保つ」という条件を付けているのですから、系と外界との間にエネルギーのやり取りがあることは前提となっています。
「-80℃の過冷却状態の水なら、わずかの刺激で全部凍る」というのは間違いではありませんが、「-80℃より高温の過冷却状態の水なら、必ず水の部分が残る」というのは間違いです。上記と同様に外界との間にエネルギーのやり取り(具体的には系からの熱の排出)があるからです。外界とのエネルギーのやり取りがない(完全断熱条件)なら正しいです。

【参考ページ】
[1] 核生成 http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13
「第3章 無容器浮遊溶融プロセシング 資料(2)」のpdfファイルをダウンロードしてお読み下さい。

参考URL:http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13

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地球から太陽までの距離の測定方法は?

例えば東京から名古屋までの距離(350Km)は、私でも自動車の距離メーターを使えば測定できます。

それでは、地球から太陽までの距離(1億5000万Km)はどのように測定したのでしょうか。教えて下さい。

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古典的な方法
http://earth.hc.keio.ac.jp/ssh/jpn/pdf/1621.pdf

もう少し精度の高い方法
http://hooktail.sub.jp/astronomy/astroMeasure/

Qエクセル近似曲線(範囲指定)

10個のプロット点によって作られているエクセル曲線の、右端3つのみの直線近似曲線が引きたいのですが何かいい方法はないでしょうか?

右端3つのみの近似曲線の関数(y=○x+▽)も知りたいです。

「近似曲線の追加」→「直線近似」でやると
すべてのプロット点に対する近似直線しかかけません。

宿題の期限が近く、困っています。
どなたかお助けください。よろしくお願いします。

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メニューバー→「グラフ」→「元のデータ」→「系列」タブで、近似曲線を引きたい右端3つのデータで、新たに系列を追加したらどうでしょうか?

で、その系列で近似曲線を引いてやればいいと思います。

ちなみに近似曲線の関数は、近似曲線を選択して右クリックし、「近似曲線の書式設定」を選びます。
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Qエクセル STDEVとSTDEVPの違い

エクセルの統計関数で標準偏差を求める時、STDEVとSTDEVPがあります。両者の違いが良くわかりません。
宜しかったら、恐縮ですが、以下の具体例で、『噛み砕いて』教えて下さい。
(例)
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では、STDEVとSTDEVPの違いは何なのでしょうか?統計のことは疎く、お手数ですが、サルにもわかるようご教授頂きたく、お願い致します。

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データが母集団そのものからとったか、標本データかで違います。また母集団そのものだったとしても(例えばクラス全員というような)、その背景にさらならる母集団(例えば学年全体)を想定して比較するような時もありますので、その場合は標本となります。
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Q惑星の平衡温度の求め方

惑星の平衡温度の求めたいのですが、どうしたら良いのか、まず式の求め方から検討がつきません…
詳しい方居られましたらぜひ教えてください。

Aベストアンサー

こんにちは。

恒星放射:Eの求め方
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恒星フラックス:Fの求め方
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惑星平衡温度:Tpの求め方
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T:恒星温度
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d:惑星軌道半径
A:惑星アルベド

これで軌道半径とアルベドから惑星の「平衡温度」が求められると思います。但し、ここには惑星大気の「温室効果」は含まれませんので、大気のある惑星の「平均気温」を計算することできません。

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イオンに価数の違うものがあるという現象が理解できません・・・。

例えば、水素イオンだったらH+しかありませんよね。電子を一つ外に出した方が安定だから。

でも、鉄イオンにFe2+とFe3+があるじゃないですか!!

じゃあ、このイオンたちは外に電子を二つだしても、三つだしても安定なのでしょうか。変です。安定状態は一つじゃないんですか。あの最外核電子が希ガスと同じになると安定。

仮に安定状態にかかわらずイオンになれるんだとすれば、Fe+~Fe10+とかいくらでもありそうな気がするのです。でも、鉄の場合はFe2+とFe3+くらいしか聞かないですし、水素の場合のH2+も聞きません。どうしてでしょう(-_-;

Aベストアンサー

イオン化エネルギー(単位はkJ/mol)

H  1312

Na 495  4562  6911
Mg 737  1476  7732

K  419  3051  4410
Ca 589  1145  4910

He  2373  5259
Ne  2080  3952
Ar  1520  2665 

1.不活性元素(希ガス)の電子配置から先に行くのは難しいのが分かります。
  Na^2+は存在しないだろうというのはエネルギー的な判断として可能です。

2.Ca^2+を実現するために必要なエネルギーはNa^+を実現するために必要なエネルギーよりも2倍以上大きいです。でもCa^2+は安定に存在します。これはイオン化エネルギーの大きさだけでは判断できない事です。
CaOとNaClは結晶構造が同じです。融点を比べると結合の強さの違いが分かります。
NaCl 801℃   CaO  2572℃

CaOの方が格段に結合が強いことが分かります。
結合が強いというのを安定な構造ができていると考えてもいいはずです。
NaClは(+)、(-)の間の引力です。CaOは(2+)、(2-)の間の引力です。これで4倍の違いが出てきます。イオン間距離も問題になります。Ca^+には最外殻のs軌道に電子が1つ残っていますからCa^2+よりも大きいです。荷電数が大きくてサイズの小さいイオンができる方が静電エネルギーでの安定化には有利なのです。
Fe(OH)2よりもFe(OH)3の方が溶解度が格段に小さいというのも2+、3+という電荷の大きさの違いが効いてきています。サイズも小さくなっています。

イオンは単独では存在しません。必ず対のイオンと共に存在しています。
水和されていると書いておられる回答もありますが対のイオンの存在によって安定化されるというのが先です。
水溶液の中であっても正イオンだけとか負イオンだけとかでは存在できません。水和された正イオンと水和された陰イオンとが同数あります。水和された負イオンの周りは水和された正イオンが取り囲んでいます。液体の中にありますからかなり乱れた構造になっていますが正負のイオンが同数あって互いに反対符号のイオンの周りに分布しているという特徴は維持されています。

3.d軌道に電子が不完全に入っている元素を遷移元素と呼んでいます。
  「遷移」というのは性質がダラダラと変わるということから来た言葉です。普通は族番号が変われば性質が大きく変わります。周期表で横にある元素とは性質が異なるが縦に並んでいる元素とは性質が似ているというのが元素を「周期表の形にまとめてみよう」という考えの出発点でした。だから3属から11族を1つにまとめて考えるという事も出てくるのです。
 性質が似ているというのは電子の配置に理由があるはずです。電子は最外殻のsに先に入って後からdに入ります。エネルギーの逆転が起こっていますが違いは小さいものです。まず外の枠組み(s軌道)が決まっている、違いは内部(d軌道)の電子の入り方だけだというところからダラダラ性質が変わるというのが出てきます。M^2+のイオンがすべて存在するというのもここから出てきます。11族の元素に1+が出てくるのは内部のd軌道を満杯にしてs軌道電子が1つになるというからのことでしょう。これは#7に書かれています。でもそれがなぜ言えるのかはさらに別の理由が必要でしょう。
 s軌道の電子が飛び出してイオンができたとすると残るのはd軌道の電子です。イオンのサイズがあまり変わらないというのはここから出てきます。
 イオンの価数の種類が1つではないというのも遷移元素の特徴です。エネルギーにあまり大きな違いのないところでの電子の出入りだという捉え方でもかまわないと思います。イオン単独で考えているのではなくてイオンが置かれている環境の中で考えています。イオン化エネルギーの大小だけではありません。
 色が付いている化合物が多いというのもエネルギー的にあまり大きな違いのない電子配置がいくつか存在する、そのエネルギー状態は周囲の環境によって割合と簡単に変化するという事を表しています。普通なら電子遷移は紫外線の領域です。可視光の領域に吸収が出るのですから差の小さいエネルギー準位があるという事です。この色が周りに何があるかによって変化するというのも、変動しやすいエネルギー順位があるという証拠になるのではないでしょうか。酸化銅、硫酸銅、塩化銅、硝酸銅、結晶の色は異なります。水和された銅イオン、アンモニアが配意した銅イオンもはっきりとした色の違いがあります。

4.今考えているイオンの電荷は実電荷です。酸化数は実電荷に対応しているとは限りません。
 単原子イオンの酸化数はイオンの価数そのままですが、単原子イオンではない、分子中の原子、または多原子イオンの中の原子の酸化数は形式的に電荷を割り振ったものです。イオンでないものであってもイオンであるかのように見なしているのです。「Cr^(6+)」が存在するなんて書かれると「????」となってしまいます。Cr2O3の融点が2436℃、CrO3の融点が196℃であるという数字から考えるとCrO3はイオン性ではありません。無水クロム酸とも言われていますがCrO4^2-の中の結合と同じであろうと考えられます。
 CO2はC^(4+)1つとO^(2-)2つが結合したものと教えている中学校があるように聞いていますが困ったことです。「硫酸の中の硫黄の原子価は6+である」と書いてある危険物のテキストもあります。酸化数と原子価の混同はかなり広く見られることのようです。Cr^6+ という表現はそれと同列のことですから堂々と回答に書かれては困ることです。

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Ne  2080  3952
Ar  1520  2665 

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