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何故、電磁波が発生するのですか？
教えて下さい。よろしくお願いします。 受験勉強している高校生の息子と「物理 わかんないとこある？」って会話から、 「小学校で、自分で光る星は恒星、月や惑星は反射しているって習うけど 何故、光るのか？は習ってない。何で、光るんだろう？」 と質問されました。 恒星の表面から電磁波が発生するしくみを高校物理の範囲内で説明したく、 よろしくお願い致します。 == 息子は、 「電気と磁気の違いもあんまりよくわからないし。同じなんじゃないの？」 とも疑問があるようですが、別に質問をする予定です。
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- nzw
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まず、光子と電荷の関係について説明をします。 ・原子は正の電荷を持つ原子核と、負の電荷を持つ電子からなる ・電磁波（光）は、光子という粒子の集まりである ここまでは、いいですか？高校物理であれば、光子という言葉では習わなくても、 光電効果のところで光量子というものを習うはずです。 じつは、『粒子が電荷を持つ』ということと、『粒子が光子を発したり、吸収したり できる』ということは、全く同じ事なのです。電荷を持った粒子間にはクーロン力が 働きますが、これは、粒子間に光子のやりとり（一方が発し、他方が吸収する）がある ということなのです。物理学の用語で言えば、電磁相互作用のゲージ粒子は光子である というのですが、それはさておき、光子を発して増やすことができるのは荷電粒子であり、 また、光子を吸収して減らす事ができるのも荷電粒子だということだけ理解して下さい。 発生の機構は様々ですが、今あなたが見ている光すべては、荷電粒子がその発生に関与 しています。荷電粒子は光子を発する事で、高いエネルギー状態から低いエネルギー状態 になることができます。逆に光子を吸収することで、低いエネルギー状態から高いエネ ルギー状態になることができます。これが光子発生のメカニズム。 恒星が光を発しているのは、高いエネルギーの荷電粒子が低いエネルギーに移るときに 光子を出しているからです。 次に、熱平衡についての話をします。 部屋においたコップに湧かしたてのお湯をそそげばいずれ冷め、逆に冷蔵庫から出した ての冷水をそそげばいずれぬるくなります。このように、『温度』というものがあって、 違う温度のものどうしをいっしょにすると、おなじ温度になるまで、一方の温度がさがり 他方の温度があがります。両方の温度が一致して、それ以上変化が無くなった状態を 熱平衡と呼びます。熱平衡になるように、高温側から低温側に移る物を『熱』と呼びます。 熱の正体はエネルギーの流れです。熱平衡とは、系がもつエネルギーが、あるルールに したがって個々の粒子などに分配されている状態です。この例の場合は空気と水が熱平衡 に達したわけですが、基本的に近接しているあらゆるものが熱平衡になるようにエネルギー の流れが生じます。 さて、先に回答したように、恒星内では核融合反応により高いエネルギーの荷電粒子が 生じます。この核融合直後の粒子は、熱平衡にある粒子よりも高いエネルギーをもって います。たとえるなら、この粒子だけが高い温度にあるようなもの。したがって、核融合 後にあらたに熱平衡になるために、この粒子は他にエネルギーを移動させる必要があり ます。その方法のひとつに、先に述べた光子放出があるのです。実は、光子の集団は 『電磁場』とよばれる一つの系をなしています。また、そこに一つの温度を定義することが できます。熱平衡は、荷電粒子などの物質と、電磁場間でも生じる必要があるため、 核融合で生じたエネルギーが電磁場にうつされ、光子が発生します。これが恒星の光 です。 なお、電磁場に温度が定義できるというのは、高校物理の範囲では空洞輻射として 紹介されているはずです。
お礼
ご回答をありがとうございます。 > その方法のひとつに、先に述べた光子放出があるのです。実は、光子の集団は > 『電磁場』とよばれる一つの系をなしています。 おぉ なんとなく イメージが見えてきました。 「その方法のひとつに」がポイントですね。 そう言う、物理系の宇宙に住んでいる って感じでしょうか？ > 高校物理の範囲では空洞輻射として紹介 「熱放射」と言う言葉で知っていました。 電磁波の項にありました。 が、その理由は説明がされておりませんでした。
玄人が息子を出汁にして質問しているように受け取れました。 温度（イオンや電子が活発に動ける） 圧力（自転する事で内部に掛かる力が増大、自ら電磁場を放出） エネルギー 以上の条件が揃っているから核融合が行える。 原子核（イオン）は、同じ種類の原子が集まり任意の位置揃うとエネルギーを自己増殖しながら熱や放射能などを放射する。（原発がこれ、共鳴反応） 放射されたエネルギーが他の原子と衝突を繰り返しながら、分離、（電磁波）吸収を経て複雑に移動し、原子同士の衝突で融合を経て熱や放射能（電磁波）を増大させて行く。（ラマン分光参照） ちなみに、太陽は永遠の存在です。物理学者は、狭い枠から外を見渡す事をお奨めします。 と言う訳で、アインシュタインが近未来から持ち帰ったであろう核融合は、この世に存在していない現状です。 さて、誰が考案したのでしょうね？
お礼
ご回答をありがとうございます。 > 玄人が息子を出汁にして質問しているように受け取れました。 いえいえ、触媒化学が専門で、物理は大学の一般教養までです。 特に量子論は、学生当時理解ができず、そのままです。ｏ ○ あっ ラマン効果って言葉 覚えてます。 けど、中身は全然覚えていません・・。
- ytrewq
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電磁波には電波、光、X線など様々な種類があります。 種類によって発生する原理もいろいろとありますが、 最も分かりやすいのが目で見える光（可視光）だと思います。 全ての物は表面温度に応じた電磁波（光）を発生します。たとえば、鉄を熱すると数１００℃くらいからだんだん赤く光ります。 温度が高くなるにしたがって、赤外線、赤い光、黄色い光のようになります。 恒星を望遠鏡でよく見るとそれぞれ色が違います。これは恒星の表面温度の違いによるものです。
お礼
ご回答をありがとうございます。 > 最も分かりやすいのが目で見える光（可視光） 確かにそうですね。 シリウスなんか白っぽいし、アンタレスなんかは真っ赤かですよね。
＞わからないのは、熱によって 発生する電磁波の波長が決まるところです。 その原因だけでよろしければ回答させていただきます。 温度とは、分子および原子の運動の激しさの事ですから、温度が高い物は、その分子および原子が激しく運動し、多くのエネルギーを持っているので、波長の短い（振動数の高い）電磁波を多く放出できます。 この分子および原子の運動は、言い換えれば荷電粒子（電子や原子核）が運動している事になります。結局、熱によって荷電粒子が動かされた(速度や方向を変えながら運動した）結果として電磁波が発生するといえます。 私には、これ以上の回答は無理がありますので、これにて失礼させていただきます。
補足
何度もありがとうございます。 電子レンジの逆って考えればいいんでしょうか？ ==== 何故か、勝手なイメージで、 電磁波エネルギ→熱エネルギ に変換されるが、逆はされづらい と思いこんでいました。 バカですね。ｏ ○
- nzw
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高校生なら熱平衡、エネルギー等分配則を習ってるはずですね。それに核融合反応も。 恒星には沢山の水素やヘリウム等の原子が集まっています。そして、ある温度で熱平衡になっています。恒星の光のおおもとは、核融合反応です。ただ、この核融合反応からは、光は直接はでてきません。ただし、核反応により、非常にエネルギーの高い粒子ができます。このエネルギーは、熱平衡に達している他の粒子よりもずっと高いものです。つまり、余計なエネルギーを持っています。他の粒子と同じ温度まで冷えるまで、この余計なエネルギーを他に『分配』するのです。分配される相手は、他の粒子もありますが、『電磁波』もあります。微視的に言えば、核反応を起こした粒子が他の粒子により散乱を受け、軌道が変わる際などに電磁波が放出されます。 これが恒星の光の起源です。
お礼
ありがとうございます。 聞いてみましたが、 「エネルギー等分配則」って言葉は、知らないようです。 でも、ベルヌーイの式は知っていましたので、E=3NkT/2 まではわかってくれました。 自由度のところが、私も十分わかっておらず 説明ができませんでした・・・。 イメージとして、 核融合時の質量欠損で、エネルギーが出てくるが その一部が電磁波エネルギーにもなっている と言うことで合ってますでしょうか？ > 軌道が変わる際 とありますが、何の起動がどのように変わることを指していらっしゃるでしょうか？ 私の頭では、イメージができません。教えて下さい。
大変失礼いたしました。私は高校の知識が無いのに回答してしまい、反省しています。 質問者様の方が、知識が数段高いです。ごめんなさい。
お礼
何度もありがとうございます。 そんな事は、ございません。 私も物理は専門でありませんし、苦手でしたので。 わからないのは、 熱によって 発生する電磁波の波長が決まる ところです。数式での説明ではなくて、あくまで イメージで高校生に伝えたいのです。 == 「そんなの受験には役に立たないよ」とこどもに言いつつ、 こどもが小さい頃から「何でも聞いて」と言っている手前。 流石に最近はきついです。
私は小学生にしか教えた経験がないのですが、もし中学程度の内容でも良ければ、お読みください。 恒星が光（電磁波）を発生するメカニズムには２通りあります。 １つ目は、核融合反応です。恒星は核融合反応（たとえば水素原子核どうしが合体し、ヘリウム原子核を作る反応など）によって高温になっていて、恒星表面から可視光線を含む電磁波が、熱放射として放出されています。見た目の恒星の色は、恒星の表面温度で決まっていて、主に可視光が含まれる温度は１万度程度（およそ３千～数万度C）で、温度が低めのときは赤っぽく、高めのときは白っぽく見えます。（ずっと遠くの恒星が赤く見える事があるのは、空間の影響による、波長の間延びのせいです） ２つ目は炎色反応です。炎色反応は、高温の物質に含まれる原子がその元素の種類に応じて異なる波長（色）の光を放出する現象です。また、低温の時には同じ波長の光を吸収します。炎色反応は光のスペクトルを調べなければ分かりません。 この２つの現象が重なって光が見えていることになります。
お礼
早速ありがとうございます。 黒体放射でのボルツマンの式は、一応説明してます。 でも、それと熱の関係を説明するのに、プランクの式とかを説明しなくてはならないのかなぁと 思い、どう説明していいものやらと・・・。 高校物理では量子論を習わないので、どうして良いものかと悩んでおります。 炎色反応は、高校物理で習いますよね。 電子の遷移状態変化（励起-基底状態）と言うことで。 === 炎色反応で思い出しましたが、 「ガスバーナーの完全燃焼での炎は何故青いの？」 と質問されたことがあり、 「燃焼途中の Ｃ ＣＨがそんな色を出している。本来、バーナー程度の温度なら、透明な炎のハズ。」 と説明したことがあります。
補足
> ずっと遠くの恒星が赤く見える事があるのは、空間の影響による、波長の間延びのせいです の部分は、ドッブラー効果で説明ができるものですよね。 ドッブラー効果も高校物理（中学物理かな？）で習ってるようです。
お礼
早速ありがとうございます。 おぉぉ、核融合で生じるでいいんですね！！ 息子と話していて、 「恒星の表面温度で星の色が決まるよね。黒体放射で、ボルツマンの式で温度と波長が示されているけど。でも、なんで 電磁波が熱によって出るのかわからない。」 と説明していたのですが、間違えていました。 == 息子が小学生の時、担任教諭に「酸素がないのに燃えているって言わないんじゃない？」って 息子自身が質問したことがあるそうです。 担任教諭は、「ん～ あまりよく分からない」って答えたらしいです。 （こどもが 小学生の時のことなんで、担任教諭がどう答えたのか？はわかりませんけど。） == ついでに、息子は 「可視光だけが光子ってわけでないのに、光子って名前はわかりづらい。 光＝電磁波って、イメージが無いし。」 とも言っておりました。
補足
> 電気は電子という粒子の流れ。磁気はそのような粒子ではない。 磁気は、電子のスピンに由来するものであることは、こどもは、理解しているようです。 「ならば、電子の動きで同じではないの？」と言ってます。 ん～ 電子のスピンって 量子論を説明しないと分からないような気がしております。 ⇒私が物理専門でないんで、こどもにさえ説明がうまくできません。そこで質問させて戴いております。 そうそう、「磁子って存在しないのかな？」とも 言っておりました。