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水素スペクトル系列

索引 水素スペクトル系列

水素原子の発光スペクトルは、によって与えられる波長によって、いくつかのスペクトル系列に分けられる。観測されるスペクトル線は原子のエネルギー準位間の電子遷移により生じる。スペクトル系列は、天文学において水素の存在の観測と赤方偏移の計算のため重要である。分光法の発展によって多くの系列が発見されている。.

40 関係: 原子可視光線吸光天文学太陽光微細構造 (原子物理学)地球の大気バルマー系列モーズリーの法則ヨハン・ヤコブ・バルマーライマン系列リュードベリ定数ボーアの原子模型ヘリウムフラウンホーファー線フリードリッヒ・パッシェンフレデリック・サムナー・ブラケットドイツニールス・ボーア分光法エネルギー準位ギリシア文字スペクトルスペクトル線セオドア・ライマン光子窒素紫外線物理学相対論的量子力学発光遷移超微細構造赤外線赤方偏移量子数電子水素原子波長21cm線

原子

原子(げんし、άτομο、atom)という言葉には以下の3つの異なった意味がある。.

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可視光線

可視光線(かしこうせん 英:Visible light)とは、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長のもの。いわゆる光のこと。JIS Z8120の定義によれば、可視光線に相当する電磁波の波長は下界はおおよそ360-400 nm、上界はおおよそ760-830 nmである。可視光線より波長が短くなっても長くなっても、ヒトの目には見ることができなくなる。可視光線より波長の短いものを紫外線、長いものを赤外線と呼ぶ。可視光線に対し、赤外線と紫外線を指して、不可視光線(ふかしこうせん)と呼ぶ場合もある。 可視光線は、太陽やそのほか様々な照明から発せられる。通常は、様々な波長の可視光線が混ざった状態であり、この場合、光は白に近い色に見える。プリズムなどを用いて、可視光線をその波長によって分離してみると、それぞれの波長の可視光線が、ヒトの目には異なった色を持った光として認識されることがわかる。各波長の可視光線の色は、日本語では波長の短い側から順に、紫、青紫、青、青緑、緑、黄緑、黄、黄赤(橙)、赤で、俗に七色といわれるが、これは連続的な移り変わりであり、文化によって分類の仕方は異なる(虹の色数を参照のこと)。波長ごとに色が順に移り変わること、あるいはその色の並ぶ様を、スペクトルと呼ぶ。 もちろん、可視光線という区分は、あくまでヒトの視覚を主体とした分類である。紫外線領域の視覚を持つ動物は多数ある(一部の昆虫類や鳥類など)。太陽光をスペクトル分解するとその多くは可視光線であるが、これは偶然ではない。太陽光の多くを占める波長域がこの領域だったからこそ、人間の目がこの領域の光を捉えるように進化したと解釈できる。 可視光線は、通常はヒトの体に害はないが、例えば核爆発などの強い可視光線が目に入ると網膜の火傷の危険性がある。.

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吸光

吸光(きゅうこう、英語:absorption)とは、物質が光を吸収する現象のことである。 量子論によると、物質の固有状態(電子の軌道や、分子の振動・回転などの状態)は連続でなく、飛び飛びの値をとる。この状態間のエネルギー差と等しい波長の光が物質に照射されると、そのエネルギーを吸収して状態の遷移が起こり、物質は励起される。(ただし、実際にはスピン禁制など、他の制限がつくため、エネルギー値のみで決まるわけではない。) 実際には、物質は光エネルギーを吸収したままなのではなく、すぐに励起状態から基底状態に戻り、この際に吸収したエネルギーを放出する。しかし、エネルギーの一部は無輻射過程を経るため、吸収した光と完全に同じ波長・強度の光として放出されるわけではない。したがって、光の一部は物質に吸収され続けるように観測される。 通常の場合、紫外・可視・近赤外領域の波長では電子遷移が生じ、赤外領域では分子の振動遷移あるいは回転遷移が生じる。 また、物質に白色光を照射し、その一部が吸収された場合、その物質は吸収された光の補色として観察される。.

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天文学

星空を観察する人々 天文学(てんもんがく、英:astronomy, 独:Astronomie, Sternkunde, 蘭:astronomie (astronomia)カッコ内は『ラランデ歴書』のオランダ語訳本の書名に見られる綴り。, sterrenkunde (sterrekunde), 仏:astronomie)は、天体や天文現象など、地球外で生起する自然現象の観測、法則の発見などを行う自然科学の一分野。主に位置天文学・天体力学・天体物理学などが知られている。宇宙を研究対象とする宇宙論(うちゅうろん、英:cosmology)とは深く関連するが、思想哲学を起源とする異なる学問である。 天文学は、自然科学として最も早く古代から発達した学問である。先史時代の文化は、古代エジプトの記念碑やヌビアのピラミッドなどの天文遺産を残した。発生間もない文明でも、バビロニアや古代ギリシア、古代中国や古代インドなど、そしてイランやマヤ文明などでも、夜空の入念な観測が行われた。 とはいえ、天文学が現代科学の仲間入りをするためには、望遠鏡の発明が欠かせなかった。歴史的には、天文学の学問領域は位置天文学や天測航法また観測天文学や暦法などと同じく多様なものだが、近年では天文学の専門家とはしばしば天体物理学者と同義と受け止められる。 天文学 (astronomy) を、天体の位置と人間界の出来事には関連があるという主張を基盤とする信念体系である占星術 (astrology) と混同しないよう注意が必要である。これらは同じ起源から発達したが、今や完全に異なるものである。.

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太陽光

雲間から差す太陽光。 太陽光(たいようこう、sunlight)とは、太陽が放つ光である。日光(にっこう)とも言う。地球における生物の営みや気候などに多大な影響を与えている。人類も、太陽の恵みとも言われる日の光の恩恵を享受してきた。.

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微細構造 (原子物理学)

微細構造(びさいこうぞう、英:fine structure)とは、原子物理学においては、原子のスペクトル線に現れる微細な分裂(英:splitting)を指す。一般にスピン軌道相互作用によって説明され、原子のエネルギー準位に対する一次の相対論的補正を考えることで自然に導入される。 線スペクトルの全体構造(英:gross structure)は、スピンのない非相対論的な電子を考えることで予言される。水素様原子では、全体構造のエネルギー準位は主量子数 n にのみ依存する。しかしスピンの効果や相対論的効果を考慮したより正確な物理模型では、エネルギー準位の縮退が解け、スペクトル線が分裂する。 微細構造分裂の、全体構造分裂に対する相対的な大きさは \left(Z\alpha\right)^ (Zは原子番号)のオーダーであり、ここで現れる定数 \alpha は微細構造定数と呼ばれる。 微細構造は3つの補正項へとわけることができ、それぞれ運動エネルギー補正項、スピン軌道相互作用項(SO項)、ダーウィン項と呼ばれる。このとき全ハミルトニアンは以下のように与えられる。.

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地球の大気

上空から見た地球の大気の層と雲 国際宇宙ステーション(ISS)から見た日没時の地球の大気。対流圏は夕焼けのため黄色やオレンジ色に見えるが、高度とともに青色に近くなり、さらに上では黒色に近くなっていく。 MODISで可視化した地球と大気の衛星映像 大気の各層の模式図(縮尺は正しくない) 地球の大気(ちきゅうのたいき、)とは、地球の表面を層状に覆っている気体のことYahoo! Japan辞書(大辞泉) 。地球科学の諸分野で「地表を覆う気体」としての大気を扱う場合は「大気」と呼ぶが、一般的に「身近に存在する大気」や「一定量の大気のまとまり」等としての大気を扱う場合は「空気()」と呼ぶ。 大気が存在する範囲を大気圏(たいきけん)Yahoo! Japan辞書(大辞泉) 、その外側を宇宙空間という。大気圏と宇宙空間との境界は、何を基準に考えるかによって幅があるが、便宜的に地表から概ね500km以下が地球大気圏であるとされる。.

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バルマー系列

バルマー系列(バルマーけいれつ)とは水素原子の線スペクトルのうち可視光から近紫外の領域にあるものである。 水素原子の線スペクトルのうち、可視光の領域に現れるものとして以下の4つの線が確認され命名されていた。.

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モーズリーの法則

モーズリーの法則 (Moseley's law) とは、特性X線(各元素に固有な線スペクトルを持つX線、固有X線ともいう)の波長の逆数の平方根が、特性X線を放出する元素の原子核の電荷、すなわち原子番号の一次関数となることを示した法則である。法則の名称は、イギリスの物理学者のヘンリー・モーズリーが実験によって発見して1913年に発表したことに因む。 特性X線のKα線の波長を \lambda_ 、原子番号を \mathcal 、光速度を c_\circ 、リュードベリ定数を R_\infty とすると、この法則は以下の式により表される。 この式は、特性X線のKα線の波長が軽元素ほど長いことを意味する。Kα線以外の系列についても、特性X線の波長と原子番号の間には、同様の直線的な関係がある。.

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ヨハン・ヤコブ・バルマー

ヨハン・ヤコブ・バルマー(Johann Jakob Balmer、1825年5月1日-1898年3月12日)は、スイスの数学者・物理学者である。.

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ライマン系列

ライマン系列は、遷移の系列であり、電子の準位がn ≥ 2 から n.

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リュードベリ定数

リュードベリ定数(リュードベリていすう、Rydberg constant)は、原子の発光および吸収スペクトルを説明する際に用いられる物理定数である。記号は などで表される。名称はスウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリに因む。 リュードベリ定数の値は である(2014CODATA推奨値CODATA Value)。.

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ボーアの原子模型

ボーアの原子模型(ボーアのげんしもけい、Bohr's model)とは、ラザフォードの原子模型長岡半太郎の原子模型を発展させたものであるといわれる。のもつ物理学的矛盾を解消するために考案された原子模型である。この模型は、水素原子に関する実験結果を見事に説明し、量子力学の先駆け(前期量子論)となった。.

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ヘリウム

ヘリウム (新ラテン語: helium, helium )は、原子番号 2、原子量 4.00260、元素記号 He の元素である。 無色、無臭、無味、無毒(酸欠を除く)で最も軽い希ガス元素である。すべての元素の中で最も沸点が低く、加圧下でしか固体にならない。ヘリウムは不活性の単原子ガスとして存在する。また、存在量は水素に次いで宇宙で2番目に多い。ヘリウムは地球の大気の 0.0005 % を占め、鉱物やミネラルウォーターの中にも溶け込んでいる。天然ガスと共に豊富に産出し、気球や小型飛行船のとして用いられたり、液体ヘリウムを超伝導用の低温素材としたり、大深度へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。.

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フラウンホーファー線

フラウンホーファー線(フラウンホーファーせん)は、一連のスペクトルで、ドイツの物理学者ヨゼフ・フォン・フラウンホーファーの名前に由来する。太陽光の可視光スペクトルのなかに暗線として観測された。 1802年、イギリスのウイリアム・ウォラストンが、太陽光のスペクトルのなかにいくつかの暗線の存在を報告した。1814年にフラウンホーファーは、ウォーラストンとは別に、暗線を発見し、系統的な研究を行い、570を超える暗線について波長を計測した。主要な線にAからKの記号をつけ、弱い線については別の記号をつけた。 グスタフ・キルヒホフとロベルト・ブンゼンによって、それぞれの線が、太陽の上層に存在するいろいろな元素や地球の大気中の酸素などによって吸収されたスペクトルであることが示された。 他の恒星のドップラー効果によるフラウンホーファー線の波長のズレを調べることで、その恒星と太陽系との相対速度を知ることができる。 下表に主なフラウンホーファー線の記号と波長を示す。 C-、 F-、 G'-、 h- 線は水素のバルマー系列 である。 D3線は光球の光に見られる吸収線(暗線)ではなく、彩層の光に見られるヘリウムの発光線(輝線)であり、1868年8月18日の皆既日食のときロッキヤーによって発見された。.

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フリードリッヒ・パッシェン

フリードリッヒ・パッシェン フリードリッヒ・パッシェン(Louis Carl Heinrich Friedrich Paschen、1865年1月22日・シュヴェリーン - 1947年2月25日・ポツダム)はドイツの物理学者。1901年からテュービンゲン大学の教授を務めた。.

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フレデリック・サムナー・ブラケット

フレデリック・サムナー・ブラケット(Frederick Sumner Brackett, 1896年8月1日 - 1972年)は、アメリカ合衆国の物理学者。専門は分光学。出生地はカリフォルニア州クレアモント。1922年から1927年までカリフォルニア大学バークレー校で教鞭を執り、1936年からアメリカ国立衛生研究所で生物物理学部門の部長を務めた。 1922年に水素原子の線スペクトルの遠赤外線領域を表す、ブラケット系列を発見した。ブラケットという月のクレーターも、彼の名前に由来している。 Category:アメリカ合衆国の物理学者 Category:カリフォルニア大学バークレー校の教員 Category:アメリカ国立衛生研究所の人物 Category:ロサンゼルス郡出身の人物 Category:1896年生 Category:1972年没.

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ドイツ

ドイツ連邦共和国(ドイツれんぽうきょうわこく、Bundesrepublik Deutschland)、通称ドイツ(Deutschland)は、ヨーロッパ中西部に位置する連邦制共和国である。もともと「ドイツ連邦共和国」という国は西欧に分類されているが、東ドイツ(ドイツ民主共和国)の民主化と東西ドイツの統一により、「中欧」または「中西欧」として再び分類されるようになっている。.

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ニールス・ボーア

ニールス・ヘンリク・ダヴィド・ボーア(Niels Henrik David Bohr、1885年10月7日 - 1962年11月18日)は、デンマークの理論物理学者。量子論の育ての親として、前期量子論の展開を指導、量子力学の確立に大いに貢献した。王立協会外国人会員。.

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分光法

プリズムによる光線の波長分割 分光法(ぶんこうほう、spectroscopy)とは、物理的観測量の強度を周波数、エネルギー、時間などの関数として示すことで、対象物の定性・定量あるいは物性を調べる科学的手法である。 spectroscopy の語は、元々は光をプリズムあるいは回折格子でその波長に応じて展開したものをスペクトル (spectrum) と呼んだことに由来する。18世紀から19世紀の物理学において、スペクトルを研究する分野として分光学が確立し、その原理に基づく測定法も分光法 (spectroscopy) と呼ばれた。 もともとは、可視光の放出あるいは吸収を研究する分野であったが、光(可視光)が電磁波の一種であることが判明した19世紀以降は、ラジオ波からガンマ線(γ線)まで、広く電磁波の放出あるいは吸収を測定する方法を分光法と呼ぶようになった。また、光の発生または吸収スペクトルは、物質固有のパターンと物質量に比例したピーク強度を示すために物質の定性あるいは定量に、分析化学から天文学まで広く応用され利用されている。 また光子の吸収または放出は量子力学に基づいて発現し、スペクトルは離散的なエネルギー状態(エネルギー準位)と対応することが広く知られるようになった。そうすると、本来の意味の「スペクトル」とは全く異なる、「質量スペクトル」や「音響スペクトル」など離散的なエネルギー状態を表現した測定チャートもスペクトルとよばれるようになった。また「質量スペクトル」などは物質の定性に使われることから、今日では広義の分光法は「スペクトル」を使用して物性を測定あるいは物質を同定・定量する技法一般の総称となっている。.

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エネルギー準位

ネルギー準位(エネルギーじゅんい、)とは、系のエネルギーの測定値としてあり得る値、つまりその系のハミルトニアンの固有値E_1,E_2,\cdotsを並べたものである。 それぞれのエネルギー準位は、量子数や項記号などで区別される.

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ギリシア文字

リシア文字(ギリシアもじ)とは、ギリシア語を書き表すために用いられる文字である。現代ギリシア語では24文字からなる。.

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スペクトル

ペクトル()とは、複雑な情報や信号をその成分に分解し、成分ごとの大小に従って配列したもののことである。2次元以上で図示されることが多く、その図自体のことをスペクトルと呼ぶこともある。 様々な領域で用いられる用語で、様々な意味を持つ。現代的な意味のスペクトルは、分光スペクトルか、それから派生した意味のものが多い。.

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スペクトル線

ペクトル線(Spectral line)とは、他の領域では一様で連続な光スペクトル上に現れる暗線または輝線である。狭い周波数領域における光子数が、隣接周波数帯に比べ少ない、あるいは多いために生じる。.

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セオドア・ライマン

セオドア・ライマン(Theodore Lyman、1874年11月23日 - 1954年10月11日)は、アメリカ合衆国の物理学者。専門は分光学。 ボストン出身。1897年にハーヴァード大学を卒業。ハーヴァードで物理学部の助手となり、1917年には教授となった。 水素原子の線スペクトルの紫外線領域を表すライマン系列は、彼の名前に由来している。また、月の南半球にあるライマンというクレーターも、彼の名前に由来している。 Category:アメリカ合衆国の物理学者 Category:ハーバード大学の教員 Category:ボストン出身の人物 Category:1874年生 Category:1954年没.

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光子

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窒素

素(ちっそ、nitrogen、nitrogenium)は原子番号 7 の元素。元素記号は N。原子量は 14.007。空気の約78.08 %を占めるほか、アミノ酸をはじめとする多くの生体物質中に含まれており、地球のほぼすべての生物にとって必須の元素である。 一般に「窒素」という場合は、窒素の単体である窒素分子(窒素ガス、N2)を指すことが多い。窒素分子は常温では無味無臭の気体として安定した形で存在する。また、液化した窒素分子(液体窒素)は冷却剤としてよく使用されるが、液体窒素温度 (-195.8 ℃, 77 K) から液化する。.

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紫外線

紫外線(しがいせん、ultraviolet)とは、波長が10 - 400 nm、即ち可視光線より短く軟X線より長い不可視光線の電磁波である。.

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物理学

物理学(ぶつりがく, )は、自然科学の一分野である。自然界に見られる現象には、人間の恣意的な解釈に依らない普遍的な法則があると考え、自然界の現象とその性質を、物質とその間に働く相互作用によって理解すること(力学的理解)、および物質をより基本的な要素に還元して理解すること(原子論的理解)を目的とする。化学、生物学、地学などほかの自然科学に比べ数学との親和性が非常に強い。 古代ギリシアの自然学 にその源があり, という言葉も、元々は自然についての一般的な知識の追求を意味しており、天体現象から生物現象までを含む幅広い概念だった。現在の物理現象のみを追求する として自然哲学から独立した意味を持つようになったのは19世紀からである。 物理学の古典的な研究分野は、物体の運動、光と色彩、音響、電気と磁気、熱、波動、天体の諸現象(物理現象)である。.

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相対論的量子力学

対論的量子力学(そうたいろんてきりょうしりきがく、relativistic quantum mechanics)は、量子力学に対して特殊相対性理論を適用した理論である。 基礎方程式はクライン-ゴルドン方程式である。素粒子散乱などの多粒子系高エネルギー物理を扱う際は、粒子をさらに場の概念に拡張した場の量子論が使われる。あつかう粒子の速度が光速に比べて十分小さい場合の量子力学(非相対論的量子力学)とは区別される。.

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発光

光(はっこう)は、光を発すること。 主に、熱放射(黒体放射) (恒星、炎、白熱灯などの光)やルミネセンス(冷光)が知られる。その他、荷電粒子線の制動放射による発光、 チェレンコフ光などがある。.

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遷移

遷移(せんい)とは、「うつりかわり」のこと。類義語として「変遷」「推移」などがある。 自然科学の分野では transition の訳語であり、一般に、何らかの事象(物)が、ある状態から別の状態へ変化すること。さまざまな分野で使われており、場合によって意味が異なることもある。以下に解説する。.

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超微細構造

超微細構造(英:Hyperfine structure)とは、原子物理学において、原子や分子のエネルギー準位(あるいはスペクトル)に含まれる小さな分裂を表す。 これは運動する電子の磁気双極子モーメントと核磁気モーメントとの相互作用により起こる。.

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赤外線

赤外線(せきがいせん)は、可視光線の赤色より波長が長く(周波数が低い)、電波より波長の短い電磁波のことである。ヒトの目では見ることができない光である。英語では infrared といい、「赤より下にある」「赤より低い」を意味する(infra は「下」を意味する接頭辞)。分光学などの分野ではIRとも略称される。対義語に、「紫より上にある」「紫より高い」を意味する紫外線(英:ultraviolet)がある。.

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赤方偏移

赤方偏移(せきほうへんい、redshift)とは、主に天文学において、観測対象からの光(可視光だけでなく全ての波長の電磁波を含む)のスペクトルが長波長側(可視光で言うと赤に近い方)にずれる現象を指す。 波長λのスペクトルがΔλだけずれている場合、赤方偏移の量 z を と定義する。.

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量子数

量子力学において量子数 (りょうしすう、quantum number) とは、量子状態を区別するための数のこと。 量子数はただ1組とは限らず、原理的には多数存在しうる。状態を区別できるのであれば量子数はどのように選んでも良い。しかし系の物理量がとる値自身、またはそれを区別する数を量子数として採用するしか方法は無い。例えばN粒子系では、各粒子の位置\bold_1, \cdots, \bold_Nを量子数に選んでも良いし、運動量\bold_1, \cdots, \bold_Nを選ぶこともできる。このときは量子数は全部で3N個となる。また一次元調和振動子では、位置や運動量を選ぶこともできるが、エネルギー固有値E_nの番号nを選ぶこともできる。位置や運動量を量子数として選んだ場合は量子数は連続変数となるが、エネルギー固有値の番号を選んだ場合は量子数は離散値になる。.

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電子

電子(でんし、)とは、宇宙を構成するレプトンに分類される素粒子である。素粒子標準模型では、第一世代の荷電レプトンに位置付けられる。電子は電荷−1、スピンのフェルミ粒子である。記号は e で表される。また、ワインバーグ=サラム理論において弱アイソスピンは−、弱超電荷は−である。.

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水素原子

水素原子のモデル 水素原子(Hydrogen atom)は、水素の原子である。電気的に中性な原子で、1つの陽子と1つの電子がクーロン力で結合している。水素原子は、宇宙の全質量の約75%を占める 。 還元作用のため活性水素(Active hydrogen)とも呼ばれる。地球上では、単離した水素原子は非常に珍しい。その代わり、水素は他の原子と化合物を作るか、自身と結合して二原子分子である水素分子(H2)を形成する。水素分子が一般的に水素と呼ばれる物質である。「水素原子」と「原子状水素」という用語は、重なっている意味もあるが、全く同義ではない。例えば、水分子は、2つの水素原子を含むが、原子状水素は含まない。.

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波長

波長(はちょう、Wellenlänge、wavelength)とは、空間を伝わる波(波動)の持つ周期的な長さのこと。空間は3次元と限る必要はない。 正弦波を考えると(つまり波形が時間や、空間の位置によって変わらない状態)、波長λには、 の関係がある。 \begin k \end は波数、 \begin \omega \end は角振動数、 \begin v \end は波の位相速度、 \begin f \end は振動数(周波数)である。波数 \begin k \end は k.

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21cm線

21cm線(21センチメートルせん、)は、中性水素原子のエネルギー状態の変化によって放射されるスペクトル線である。 21cm線は周波数 の電波であり、その波長が であることからこの名が付けられている。21cm線は天文学、特に電波天文学の分野で広く使われている。.

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