光のエネルギー(プランクの関係式)

Planck relation

のちに本人は「やけっぱちの行為だった」と振り返った。

光や電磁波のエネルギーは、振動数に比例するひと粒ずつ(光子)でやり取りされる。量子論の出発点で、太陽電池や LED、日焼けの仕組みまでを説明する。

年代
1900年
人物
マックス・プランク、ハインリヒ・ルーベンス、フェルディナント・クールバウム、アルベルト・アインシュタイン、ロバート・ミリカン
逸話

やけっぱちの行為

1900 年 10 月 7 日の日曜日、ベルリン大学の教授マックス・プランクの家を、実験物理学者ハインリヒ・ルーベンスが夫妻で訪ねた。ルーベンスは、同僚のフェルディナント・クールバウムと測ったばかりの結果を話した。波長 51 µm ほどの、目に見えない長い波長の熱放射では、放射の強さが温度にほぼ比例して増える。当時もっとも信頼されていたヴィーンの式とは合わない。

客が帰ったあと、プランクは、短い波長ではヴィーンの式に、長い波長ではルーベンスの結果に合う式を考え、その晩のうちに葉書に書いてルーベンスに送った。10 月 19 日、ドイツ物理学会でクールバウムが測定を報告したあと、プランクはこの式を発言として紹介した。ルーベンスはすぐに式を自分たちの測定と比べ、どの測定ともよく合うと知らせた、と伝えられている。

式は合った。だが、なぜその式になるのかは分からなかった。1920 年のノーベル賞の講演でプランクは、そこから数週間を「生涯でいちばん骨の折れる仕事」と呼んでいる。たどり着いた答えは、熱放射を出したり吸ったりする振動子のエネルギーは、ある大きさ の整数倍の値しかとれない、という仮定だった。12 月 14 日、プランクはドイツ物理学会でこの導き方を発表した。量子論の誕生日とされる日である。

プランク自身は、この仮定を自然の本当の姿とは考えていなかった。31 年後の 1931 年 10 月 7 日、アメリカの物理学者ロバート・W・ウッドに宛てた手紙で、当時をこう振り返っている。要するに、あれはやけっぱちの行為だった。自分は生まれつき穏やかで、危うい冒険は好まない。だが、理論の説明はどんな代償を払っても見つけねばならなかった。熱力学の 2 つの法則だけは守り、それ以外は何でも手放す覚悟だった。

起源

熱い物体が出す光の色と強さは、物体の材料によらず、温度だけで決まる。1859 年、ドイツのグスタフ・キルヒホフはこれを示し、どの波長にどれだけのエネルギーが出るかを表す関数を見つけることを、物理学の課題として残した。

1879 年にヨーゼフ・シュテファンが、放射の全体の強さは絶対温度の 4 乗に比例することを実験から見つけ、1884 年にボルツマンが熱力学から導いた。1893 年、ヴィルヘルム・ヴィーンは、温度が上がると最も強い波長が短い方へずれる法則(ヴィーンの変位則)を導き、1896 年には分布の式も提案した。ベルリンの帝国物理工学研究所では、ルンマーとプリングスハイムらが精密に測り、長い波長ではヴィーンの式が合わないことが、1899 年から 1900 年にかけて見えてきた。

1900 年 12 月のプランクの式には、新しい定数が 2 つ入っていた。のちのボルツマン定数 と、作用量子 である。プランクは測定から J·s と求めた。いまの値より 1 % ほど小さいだけである。

を、光そのものの粒の大きさと考えたのはアインシュタインである。1905 年の論文で、光は のエネルギーをもつ粒(光量子)として振る舞うと考え、金属に光を当てると電子が飛び出す光電効果を説明した。飛び出す電子のエネルギーは、光の強さではなく振動数で決まり、ある振動数より低い光では、どんなに強く当てても電子は出ない。

アメリカのロバート・ミリカンは、この説が間違っていることを示すつもりで、10 年近く精密な実験を続けた。1916 年の論文で、結果はアインシュタインの式のとおりであり、そこから求めた はプランクの値とよく合うと報告した。アインシュタインのノーベル賞(1921 年)の理由は、相対性理論ではなく、光電効果の法則の発見だった。

2019 年からは、 J·s と値を決め、これをもとに質量の単位キログラムが定義されている。

証明

プランクの導き方の筋をたどる。温度 の空洞の中で、振動数 の振動子(または放射の 1 つの振動の型)が持つエネルギーの平均を求める。

  1. エネルギーは の整数倍 だけをとり、エネルギー の状態の起こりやすさはボルツマンの因子 に比例するとする。平均は

  2. とおくと、分母は等比級数で

  3. 分子は分母を で微分して を掛けたものなので、計算すると

  4. 空洞の中で、振動数が から の間にある振動の型の数は、1 m³ あたり

  5. 2 つを掛けると、放射のエネルギーの分布は

  6. 熱力学から導かれるヴィーンの変位則は、 が と の関数の積の形であることを求める。そのためには が に比例しなければならない。 とおくと

振動数が低いとき()は から となり、古典物理学の答え(レイリー・ジーンズの式)に戻る。振動数が高いときは で急に小さくなり、ヴィーンの式に戻る。エネルギーを連続とした古典物理学では、高い振動数でも平均が のままで、全体のエネルギーが無限大になってしまう。

応用

光の粒のエネルギー。 で、 eV·nm を使うと計算が速い。緑の光(550 nm)の光子 1 個は約 2.25 eV、赤(650 nm)は約 1.91 eV、日焼けを起こす紫外線(300 nm)は約 4.13 eV である。炭素どうしの結合を切るのに要るエネルギーは約 3.6 eV なので、紫外線の光子 1 個は分子を壊せるが、赤い光の光子は何個あっても 1 個ずつでは壊せない。強い赤い光より弱い紫外線のほうが日焼けするのは、このためである。

レーザーポインターの光子の数。 出力 1 mW、波長 650 nm のレーザーポインターでは、光子 1 個のエネルギーは J なので、1 秒に約 個の光子が出ている。

太陽電池と LED。 シリコンの太陽電池は、1.12 eV より大きいエネルギーの光子で電子を動かす。波長に直すと約 1107 nm より短い光である。LED は逆に、電子が失うエネルギーを 1 個の光子として出す。青い光(約 460 nm、2.7 eV)を出すには大きなエネルギーの差をもつ材料が要り、その実現に 2014 年のノーベル物理学賞が贈られた。

電子レンジのマイクロ波。 2.45 GHz の光子 1 個のエネルギーは約 eV で、紫外線の数十万分の 1 しかない。分子の結合は切れず、水の分子をたくさんの光子で揺さぶって温めている。

図示

温度ごとの熱放射の分布(プランクの式)。温度が上がると全体が強くなり、山が短い波長へ移る。点線は古典物理学の答えで、短い波長で限りなく大きくなる。
光電効果。飛び出す電子の最大の運動エネルギーは光の振動数とともに直線的に増え、その傾きがプランク定数 h になる。直線が横軸と交わる振動数より低い光では、電子は出ない。

シミュレーション

左のランプから光子が飛び、右の金属の板に当たる。光子 1 個のエネルギー が金属の仕事関数 より大きいときだけ、電子が飛び出す。波長を短くすると電子は速くなり、光を強くすると電子の数だけが増える。 のときは、どれだけ強くしても電子は出ない。下のグラフの点は、いまの光の振動数と、電子の最大の運動エネルギー を示す。

広がる学問

  • 物理学 は量子力学の出発点である。原子が決まった色の光だけを出すこと(線スペクトル)は、原子のエネルギーの差が に等しいことで説明された。不確定性原理にも、同じ定数 が現れる。
  • 化学 光で起こる化学反応(光化学)では、反応を起こせるかどうかが光子 1 個のエネルギーで決まる。物質がどの波長の光を吸うかを測る分光法は、分子の種類を調べる基本の道具である。
  • 工学 太陽電池、LED、デジタルカメラの撮像素子は、光子 1 個と電子のエネルギーのやり取りを設計している。
  • 天文学 宇宙マイクロ波背景放射の分布は、温度 2.7 K のプランクの式にきわめてよく合う。星の色からは、表面の温度がわかる。
  • 医学 紫外線が皮膚の DNA を傷つけるのも、X 線が体を通り抜けて写真を撮れるのも、光子 1 個のエネルギーの大きさによる。
  • 生物学 目の網膜の細胞は、光子 1 個を感じとれるほど敏感である。光合成は、決まった波長の光子のエネルギーを使って水を分解する。

参考文献

  1. M. Planck, "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum", Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2 (1900), 237-245.
  2. M. Planck, "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum", Annalen der Physik 4 (1901), 553-563.
  3. Max Planck, "The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory", Nobel Lecture, June 2, 1920.
  4. A. Einstein, "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt", Annalen der Physik 17 (1905), 132-148.
  5. R. A. Millikan, "A Direct Photoelectric Determination of Planck's h", Physical Review 7 (1916), 355-388.
  6. Thomas S. Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity, 1894-1912 (Oxford University Press, 1978).

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