『ボヘミアン・ラプソディ』はなぜ人々を魅了したのか >>

「基底状態の原子に「原子の励起エネルギーE1」と同じエネルギーの光子をあてると(又は何らかのことを施すと)、その原子は、基底状態から励起状態になり、その後(平均寿命で?)、エネルギーE2=h・ν2(=E1?)の光子を放出して、基底状態に戻る」、というような現象があるかと思います。

質問(1)
原子が励起状態から基底状態に戻るときに(戻ることにより)原子から放出される光子のエネルギーE2=h・ν2は、
(A):地面からの高さ(重力の強弱)によって異なるのでしょうか?
(B):あるいは、地面からの高さ(重力の強弱)によらず同じなのでしょうか?

質問(2)
「原子が励起状態から基底状態に戻るときに原子から放出される光子のエネルギーE2=h・ν2が、地面からの高さによって異なる」場合(質問(1)で(A)の場合)、それは、
(D):原子の励起エネルギーE1が重力の強弱によって違うため(E1=E2なので、E1が違うとE2も違うことになるため)?、
(E):放出される光子のエネルギーE2が重力によるドップラー効果の影響を受けるため?、
(F):(D)と(E)の両方のため?、
(G):その他のため?、
なのでしょうか?

質問(3)
質問(2)で(D)(又は(E))の場合、
(H):「原子の励起エネルギーE1」≠「原子が励起状態から基底状態に戻るときに放出される光子のエネルギーE2」になるのでしょうか?、
( I ):あるいは、その他のことになるのでしょうか?

知っている方がおられたら、教えていただけると、ありがたいです。

(何かおかしなことをいっている、意味不明の場合は、無視してください。「分かっていれば、質問しない」→「質問しているというこは、よくわかっていない」ということで、ご容赦ください。)

よろしく、おねがいします。

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A 回答 (12件中11~12件)

 ご質問で「原子」と言っているのは、正確には「軌道電子」ですね。



 軌道電子が、外からのエネルギーを受けてエネルギー順位の高い軌道に移り、そこからエネルギー順位の低い軌道に移るときに一定の波長の光を出す、ということです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90% …


 これは、古典的なイメージでは、正電荷の原子核と負電荷の電子が電気的に引き合い、それと電子の回転運動の遠心力が釣り合って一定に軌道を回り続ける、というものです。(正確には量子力学の世界では違うのですが、簡単のためにそれで考えます)

 質問者さんの疑問は、このときの「原子核と電子との電気的引力=遠心力」と、「地球と電子との万有引力」の大きさの違いがどの程度か、ということだと思います。つまり、地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか、ということ。

 これは、計算してみればすぐに求まる話です。

 電荷によるクーロン力は、

  F=Q1・Q2/4πεr^2

で求まります。ここで、水素原子(原子核は陽子1個、軌道電子は1個)を考えると、

  真空の誘電率: ε= 8.854×10^(-12) (A^2·s^2·N^(-1)·m^(-2))
  水素原子核の正電荷量:Q1=1.602×10^(-19) (クーロン=A·s)
  水素電子の負電荷量:Q2=-1.602×10^(-19) (クーロン=A·s)
  水素原子のボーア半径(軌道電子の半径):r=0.5292×10^(-10) (m)

 これから、クーロン力は
  F=8.24×10^(-8) (N)   (1)


 これに対して、電子の質量は

  9.109×10^(-31) (kg)

ですから、重力による力は、重力加速度 9.8(m/s^2)から、

  F=9.109×10^(-31) (kg) × 9.8(m/s^2)
   =8.93×10^(-30) (N)  (2)


 (1)と(2)の大きさを比べれば、力の大きさが比較できますよね!

 電子に対する地球上での重力による力は、原子核と電子との間の電気力の 10^(-22)、つまり 10^(22)分の1 (1兆分の1の、そのまた100億分の1)のオーダーということです。
 これは「軌道電子の運動に、重力の影響はない」と言ってよいレベルです。

 感覚論で判断できないものは、ラフで良いので定量的に比較してみることです。正確さよりも、「オーダー」(桁のレベル)での比較で十分なことが多いです。
  
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

具体的数値を挙げて、説明していただいて、ありがとうございます。

>「原子」と言っているのは、正確には「軌道電子」ですね。
   ↑
ありがとうございます。「はい」です。

>軌道電子が、外からのエネルギーを受けてエネルギー順位の高い軌道に移り、そこからエネルギー順位の低い軌道に移るときに一定の波長の光を出す、ということです。
>これは、古典的なイメージでは・・・(正確には量子力学の世界では・・・

>質問者さんの疑問は、このときの「原子核と電子との電気的引力=遠心力」と、「地球と電子との万有引力」の大きさの違いがどの程度か、ということだと思います。つまり、地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか、ということ。
   ↑
ありがとうございます。

私の質問は、それ(「地球からの引力(重力)で、軌道電子の運動が影響を受けるかどうか」)と等価なものになっているのでしょうか?(なっているということですよね。)

そこが私が理解できていないところだと思います。

また、「・・・10^(-22)・・・「軌道電子の運動に・・・影響はない」・・・レベル」だと「励起エネルギーが変化しない」ということ、も私が理解できていところだと思います。
(「軌道電子の運動に関与していない」→「励起エネルギーは変化しない」。「軌道電子の運動に影響のないレベル(影響はあるが、影響を無視してよいレベル)」→「励起エネルギーは変化しないレベル(変化しているが、変化を無視してよいレベル)」≡「励起エネルギーは変化している???」、と思ってしまいます。)

エネルギー準位Ean=-m・e^4/(2n^2・h^3)?
   or
エネルギー準位Ean=-m・e^4/(8ε^2・h^2・n^2)?
というやつそのものが、重力の強弱によって、Ea1→Ea1’、Ea2→Ea2’、・・・のように変化し、
その結果、励起エネルギーE1(=放出エネルギーE2?)が、E1(E2)=Ea2-Ea1から、E1’(E2’)=Ea2’-Ea1’に変化する、などというこはあるのだろうか、
と思って質問した次第です。

ありがとうございます。

お礼日時:2014/11/06 20:07

質問(1) (B)を選ぶ。

この現象にとって、重力の影響が弱過ぎで、重力を無視してもいいです。
    • good
    • 0
この回答へのお礼

ありがとうございます。

>質問(1) (B)・・・重力の影響が弱過ぎで、重力を無視してもいいです。
   ↑
ありがとうございます。

ありがとうございます。

お礼日時:2014/11/05 22:37

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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。
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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。

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Q基底状態と励起状態の比較について

基底状態に比べて励起状態は反応性に富んでいると学びましたが、理由がいまいちわかりません。
もしよろしければ教えて下さい。
お願いいたします。

Aベストアンサー

>基底状態に比べて励起状態は反応性に富んでいる
この表現は定性的なものなので、例えて言うなら
「満潮時よりも干潮時の方が水位が低い」
みたいなものです。
具体的に満潮時の水位がどれくらいで、
干潮時の水位がどれくらいかは言わないけれど
その性質としてどうだと述べている程度のことです。

>「イオン化ポテンシャル」「電子親和力」「分子軌道」
という記述から判断してたぶん無機化学の話をしてい
るんだろうなと想像はつくので、化学の方でそれぞれ
について聞いてみるのが良いかもしれません。

Na → Na+ + e-
Cl + e- → Cl-
のNa+、Cl-は励起状態とは言わないはず。
(Cl-はエネルギー減ってるし・・・)

分子軌道の方は励起状態と関係あるね。
でも、軌道がややこしいので水素原子で話をすると
水素原子は中心に1個陽子があってその周りに電子が
1個回っています。

電子軌道が軌道が1s,2s,2p,3s,3p,3d・・・・
(数字がエネルギー準位,アルファベットが軌道の種類)
とあって、一番下のエネルギー準位nが
n=1のときが基底状態でn=2,3,4…のときが励起状態。
それぞれのエネルギー準位のエネルギーEnは
En=-13.6[eV]/n^2
これでいくと
E1<E2<E3<E4・・・・・・
とエネルギー準位が高いほどエネルギーは高い。
エネルギーが負なのは基準をどこにとるかだけの問題なので
気にしないで。

要するに、電子が一番下にエネルギー準位にいるのが
基底状態で、それ以外のところにいるのが励起状態。
もちろん分子の場合電子は1個じゃないから下から順に
詰めて行ってという話になるだろうけれど。
そして、基底状態が一番エネルギーが低く、
励起状態は基底状態よりもエネルギーが高い。
これで本質的には間違っていないと思います。

エネルギーが低い方が安定なので
水素原子の場合、光というエネルギーを放出して、
励起状態から基底状態に戻ります。

分子の場合、このエネルギーが何かしらの反応に
必要なエネルギーに使えるから基底状態の分子よりも
反応を起こしやすいって理解で良いんじゃないでしょうか。

>基底状態に比べて励起状態は反応性に富んでいる
この表現は定性的なものなので、例えて言うなら
「満潮時よりも干潮時の方が水位が低い」
みたいなものです。
具体的に満潮時の水位がどれくらいで、
干潮時の水位がどれくらいかは言わないけれど
その性質としてどうだと述べている程度のことです。

>「イオン化ポテンシャル」「電子親和力」「分子軌道」
という記述から判断してたぶん無機化学の話をしてい
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Qフランク・ヘルツの実験

フランク・ヘルツの実験をおこないました。

実験データを加速電圧を横軸に、プレート電流を縦軸にとりグラフをおこすと極大値を4つ持つ曲線となりました。

理論には加速電圧が励起エネルギー毎に極大値がでるあとありましたが、それは同じエネルギー準位のところで、原子が励起されるということを表していると考えていいのですか??

なぜ毎回同じ準位で励起がおこるのでしょうか?

Aベストアンサー

 #2です。
 補足を拝見しました。

>とても不思議なのですが、1・2・3と定常状態があり、エネルギーもこの順番に大きいとします。それで3の状態で励起がおこることがあると思うのですが、なぜ1・2という状態では励起しなかったのでしょう…励起に十分なエネルギーがあるのに…

 まだ用語の使い方が変です。
 基底状態から励起された状態のエネルギ準位を低いほうからE1,E2,E3、・・・と数えていったときに、何故E1ばかりに遷移しE2やE3しないのか、と質問したほうがいいですよ。
 その疑問はもっともで、E2やE3にも遷移はあったと思います。ただその遷移の回数がE1に比べると圧倒的に少なかったので、グラフに現れなかったということだと思います(E1へ遷移しやすいのは分かりますよね。遷移確率はエネルギ差が小さいほど大きくなりますので)。その場合、グラフの変化だけでE2やE3への遷移がなかったと結論付けるのは早計です。
 もし、E2やE3への遷移があれば、発光のスペクトラムを解析すればそれに対応した波長が検出されるはずですので、それによって他のエネルギ状態への遷移を検証すると良いと思います。


>もちろん波長は計算しました。すると70nmと可視領域を外れているのです。
>これは電流の極大値とリングの出現は少し遅れていることと関係があるのではと考えています。しかし1回目では発光してないことによって考えはかなり難しい…

 この理由については分かりません。
 実験の内容(ガスの種類、実験装置の構成など)や極大値での加速電圧の間隔などを詳しく書いて、他の詳しい方が回答してくれるのを待ったほうがよいかもしれません。

 #2です。
 補足を拝見しました。

>とても不思議なのですが、1・2・3と定常状態があり、エネルギーもこの順番に大きいとします。それで3の状態で励起がおこることがあると思うのですが、なぜ1・2という状態では励起しなかったのでしょう…励起に十分なエネルギーがあるのに…

 まだ用語の使い方が変です。
 基底状態から励起された状態のエネルギ準位を低いほうからE1,E2,E3、・・・と数えていったときに、何故E1ばかりに遷移しE2やE3しないのか、と質問したほうがいいですよ。
 その疑問...続きを読む

Q最低励起エネルギーについて。

この問題を今挑戦中です↓。
炭素数が4個で2個の二重結合が共役した構造を持つ1,3-ブタジエン
CH2=CH-CH-CH2
と炭素数が8個で4個の二重結合が共役した構造を持つ1,3,7-オクタテトラエン
CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2
では最低励起エネルギー(n=1の電子をn=2の状態に遷移させるのに必要なエネルギー)はどちらが大きいか?
※共役した二重結合からなる分子では、最も励起しやすい電子は分子全体に分布し、上記の化合物はいづれも直線状の構造と考え、n=1の状態の電子をn=2の状態に遷移させるのに必要なエネルギー E=3h^2/8(me)L^2[h;プランク定数、me;電子の質量、L;1次元箱型ポテンシャルの長さ]を用いよ。
この問題では電子一個の最低励起エネルギーが与えられていますが、求めるものは多電子分子の最励起歴エネルギーですよね・・・単純にすべての電子の数を与えられたEにかけて差を求めればいいのでしょうか?注釈の意味が理解できないので何をどうすればいいか見えてきません。
よろしくお願いします。長文すみません。

この問題を今挑戦中です↓。
炭素数が4個で2個の二重結合が共役した構造を持つ1,3-ブタジエン
CH2=CH-CH-CH2
と炭素数が8個で4個の二重結合が共役した構造を持つ1,3,7-オクタテトラエン
CH2=CH-CH=CH-CH=CH-CH=CH2
では最低励起エネルギー(n=1の電子をn=2の状態に遷移させるのに必要なエネルギー)はどちらが大きいか?
※共役した二重結合からなる分子では、最も励起しやすい電子は分子全体に分布し、上記の化合物はいづれも直線状の構造と考え、n=1の状態の電子をn=2の状態に遷移させるのに必要なエネ...続きを読む

Aベストアンサー

要するに共役ポリエンを1次元の箱に見立ててるわけです.で,ブタジエンとオクタテトラエンとでは箱の大きさと放り込んだ電子の数が違うと.
とりあえず波動方程式を解くと,エネルギー固有値が主量子数 n の関数として出てきます.ここで Pauli の排他原理を考えると,スピンまで考えれば n=1 に2個,n=2 に2個,というように電子をエネルギーの低い順に充填していくことになります.
ブタジエンの場合は4個,つまり n=2 でいっぱいになり,これが基底状態.オクタテトラエンは電子が8個あるわけなのでn=4でいっぱい.
ここから励起するとなると,ブタジエンならn=2にある電子のうちの1つがn=3のレベルに上がることに対応するので,この二つの準位間のエネルギー差が最低励起エネルギーになると.

Qエクセルで計算すると2.43E-19などと表示される。Eとは何ですか?

よろしくお願いします。
エクセルの回帰分析をすると有意水準で2.43E-19などと表示されますが
Eとは何でしょうか?

また、回帰分析の数字の意味が良く分からないのですが、
皆さんは独学されましたか?それとも講座などをうけたのでしょうか?

回帰分析でR2(決定係数)しかみていないのですが
どうすれば回帰分析が分かるようになるのでしょうか?
本を読んだのですがいまいち難しくて分かりません。
教えてください。
よろしくお願いします。

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
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるための指数表記のことですよ。
・よって、『2.43E-19』とは?
 2.43×1/(10の19乗)で、
 2.43×1/10000000000000000000となり、
 2.43×0.0000000000000000001だから、
 0.000000000000000000243という数値を意味します。

補足:
・E+数値は 10、100、1000 という大きい数を表します。
・E-数値は 0.1、0.01、0.001 という小さい数を表します。
・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
・になります。ようするに 10 を n 乗すると元の数字になるた...続きを読む

Qホール効果

物性の授業に関連した実験中に
ホール電圧を測定しました。
ローレンツ力に関連があること、磁場に関係があること、
半導体のキャリア濃度と電荷量によって決まる定数と
流した電流、かけた磁場の積がホール電圧になることまで
わかりました。

ですがホール効果の測定がいったい何を意味するのかわかりません。
現実において、このホール効果はどのような事に利用されているのでしょうか?

実験レポとは関係なく僕の興味なので
どのようなことでもかまいません。
何かわかりやすい事例などありましたら教えてください

Aベストアンサー

siegmund です.
kexe さん,Legendre 多項式の質問覚えていますよ.

ホール効果測定でわかることの最も重要で実用的なことは,
キャリアが正孔か電子かということです.
実験をやられたのでしたら,多分実験指導書に,
(1)   R_H = E_H /JH
でホール係数 R_H が定義され(J は電流密度,H は磁場,E_H はホール電場)
簡単なモデル計算では
(2)   R_H = 1/Nq
となることが書いてあるでしょう.
単位系の取り方によっては 1/Nqc になっているかも知れません.
N はキャリアの密度,q はキャリア1個の電荷,c は光速.
R_H の符号から q の正負,すなわちキャリアが正孔か電子かが判定できます.
また,q の絶対値は電荷素量 e ですから,N すなわちキャリア密度がわかります.
半導体では(2)に1程度の数係数がつきますので,
N の正確な見積もりは R_H からだけではなかなか難しいところがあります.

ホール効果を用いて,磁場を測定する装置があります.
ガリウムヒ素エピタキシャルホール素子がよく使われているようです.

なお,MOS(metal-oxiside semidonductor)の反転層などの2次元電子系では
ホール伝導度 σ_H = J/E_H が e^2/h (h はプランク定数)の整数倍に
量子化されるという現象(量子ホール)効果が知られています.
e^2/h は自然定数だけで書けていて,物質固有の量を含まないのが大事なところです.
量子ホール効果は 1980 年にクリツィングによって発見され,
彼は 1985 年のノーベル賞を受賞しました.
分数量子ホール効果というのもあります.

ホール効果の名前は,この現象の発見者の物理学者の名前
Edwin Herbert Hall(1855‐1938) から来ています.
今,気がついたんですが,E. H.Hall ねぇ~.
E は電場,H は磁場だから,発見者にまさにふさわしいイニシャルですね.

正孔は hole ですが,カタカナで書くとこれもホールになっちゃいます.
ときどき Hall と hole を混同する方がいるようです.

siegmund です.
kexe さん,Legendre 多項式の質問覚えていますよ.

ホール効果測定でわかることの最も重要で実用的なことは,
キャリアが正孔か電子かということです.
実験をやられたのでしたら,多分実験指導書に,
(1)   R_H = E_H /JH
でホール係数 R_H が定義され(J は電流密度,H は磁場,E_H はホール電場)
簡単なモデル計算では
(2)   R_H = 1/Nq
となることが書いてあるでしょう.
単位系の取り方によっては 1/Nqc になっているかも知れません.
N はキャリアの密度,q はキャリア...続きを読む

Q「光」自体が「熱」を生み出しますか?

★初歩的っぽい質問ですいません。
例えば、光源となる機械またはランプが発熱することは考えないとして、めちゃめちゃ強い光をひたすら同じ場所に当て続けると、「光」自体のせいで熱が発生して、光を当てられた側の温度が上がるって事はありますか?
☆「光」自体が熱を発生させる事ができるのでしょうか?よろしくお願いします。

Aベストアンサー

レーザーシステムを研究していた者です。回答者の方々のアドバイスが質問者の方にとって一寸難しいようですね。
光と言っても色んな光があります。音には、超音波と言って私たちの耳では聞き取れない領域の周波数がありますね。光にも同じように、私達の目に見える領域(可視光域)の光、他には紫外光、赤外光など目に見えない領域の光があります。
その一つにレーザー光があります。光は基本的には電磁波(携帯電話等に使用されている電波)の1種です。周波数が2兆Hz以下の物を電(磁)波、それ以上の物を光と言います。
レーザーについては、皆さんある程度情報はあるかと思いますが、鉄等を瞬時に溶融出来ます。材木などは焦げ目を付けずに穴を開けることは造作もありません。
つまり、光で被加熱物を加熱できます。

Q炭素棒の抵抗

金属の抵抗は温度があがるほど大きくなると習いました。
たしか、金属の場合は原子の熱運動が自由電子の移動をじゃまするから
抵抗が大きくなると習ったような気がします。

炭素棒(鉛筆の芯)では逆の結果の温度が高くなるほど抵抗が小さくなります。
どうしてですか?
回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

物質の電気抵抗(抵抗率)はおっしゃるように温度とともに変化します。
温度を上げた場合、物質の電気伝導に関しどのような変化が起きるかですが
(1)原子(結晶格子)の熱的な振動が激しくなり、自由電子を散乱させる (↓)
(2)励起されて生じる自由電子の数が増える (↑)
(3)自由電子のエネルギー分布が全体に高エネルギー側にシフトし、不純物散乱を受けにくくなる (↑)
などがあります。それぞれの項目の最後に付けた(↓)(↑)は、それぞれ伝導率を下げる要因・上げる要因であることを示します。(抵抗率で考えれば当然その逆です)

実際の物質では(1)~(3)の兼ね合いがあるため、抵抗率の温度変化の現れ方はさまざまです。
金属はbuchurinさんのおっしゃるように温度とともに抵抗率は上がります。金属の場合初めから励起は十分になされていて、温度を上げても自由電子はそれ以上ほとんど増えません。すなわち(2)の効果はほとんどなく、それに対し(1)の熱的な振動による散乱だけが大きくなるために、トータルとして抵抗率が上がるわけです。
一方、これもご承知かと思いますが半導体は温度を上げると抵抗率が下がります。これは(2)の効果が(1)より大きいことによります。

では炭素(グラファイト)の場合どうなのか? グラファイトは(2)の要素があるために、ある温度範囲においては温度を上げるほど抵抗が下がると考えられます。参考ページ[1]をご覧ください。

【補足】参考ページ[1]では「100[K]を超えた付近から抵抗率ρの増加が抑えられる」とだけ記されています(ρそのものが下がるとの記述がない)。一方、黒鉛メーカーの製品紹介ページ(例えば[2])を見ると確かにρは減少にまで転じています。これらは本質的に同じ要因(上記の(2))によると思われますが、完全に同一であるか確認するまでには至りませんでした。そのような理由で回答を「自信なし」にしました。すみません。

[1] http://www.appi.keio.ac.jp/ohashi/graphite1.htm
[2] http://www.tokaicarbon.co.jp/products/yakin01.shtml

参考URL:http://www.appi.keio.ac.jp/ohashi/graphite1.htm, http://www.tokaicarbon.co.jp/products/yakin01.shtml

物質の電気抵抗(抵抗率)はおっしゃるように温度とともに変化します。
温度を上げた場合、物質の電気伝導に関しどのような変化が起きるかですが
(1)原子(結晶格子)の熱的な振動が激しくなり、自由電子を散乱させる (↓)
(2)励起されて生じる自由電子の数が増える (↑)
(3)自由電子のエネルギー分布が全体に高エネルギー側にシフトし、不純物散乱を受けにくくなる (↑)
などがあります。それぞれの項目の最後に付けた(↓)(↑)は、それぞれ伝導率を下げる要因・上げる要因であることを示します。(抵抗率で考えれば...続きを読む

Qフランク・ヘルツの実験

フランク・ヘルツの実験で次のような課題が出されました。
「フランク・ヘルツ実験器で、プレート電圧をカソードよりもわずかに負にしておき、Vaを変化させるとある電圧で負のプレート電流がながれ出る理由を述べよ」
Va→電子の加速電圧
まずきになるのが「プレート電圧」。これはプレート電流の間違いではと思ったのですが…。(この先生のプリント間違いだらけなんです…ほかにもタイプミスがたくさんありまして…)加速電圧って言葉はでてきましたが、これは聞いたことがないです。
この問題の答えがわかりません。この文章のなかで足りないものがあればそこについても書いていただけるとたすかります。
よろしくおねがいします。

Aベストアンサー

ボーアの量子論にある、原子が離散的なエネルギーを持っていることを検証するために、フランクとヘルツが行った実験です。したがって、原子の基底状態や第2、第3・・・励起エネルギーを調べるための原子が必要になります。これには、ネオンやアルゴン、水銀蒸気などが使われます。

あらかじめ、プレートに負電圧を加えておきますが、後で分かりますが、この電圧を超えないと電子がプレートに到達できないようにしているためです。

加速電圧を0Vから少しずつ上げていくと、ネオン原子などに衝突しながらも、ほとんどエネルギーを失うことなく、プレートに到達でき、電流が増加していきます。

さらに加速電圧が高くし、ネオン原子の基底エネルギーと同じ程度のエネルギーを電子が受け取ると、非弾性衝突を起こし、電子のエネルギーはネオン原子の励起のために吸い取られてしまいます。

エネルギーを失った電子は、プレートに到達できず、また、プレートにはもともと府電圧が加わっていましたので、この電圧を超える加速電圧が得られないうちは、電流は減少していきます。

このときの加速電圧Vaによる電子のエネルギーeVaが励起エネルギーとなります。(Vaが5Vなら、5エレクトロンボルト)

ボーアの量子論にある、原子が離散的なエネルギーを持っていることを検証するために、フランクとヘルツが行った実験です。したがって、原子の基底状態や第2、第3・・・励起エネルギーを調べるための原子が必要になります。これには、ネオンやアルゴン、水銀蒸気などが使われます。

あらかじめ、プレートに負電圧を加えておきますが、後で分かりますが、この電圧を超えないと電子がプレートに到達できないようにしているためです。

加速電圧を0Vから少しずつ上げていくと、ネオン原子などに衝突しながらも...続きを読む


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