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黒体放射

索引 黒体放射

黒体放射()とは黒体が放出する熱放射で黒体の温度のみで定まり、実在する物体の放射度は、概して黒体の放射度よりも小さく、黒体放射の波長はプランクの放射式によって理論的に定まる。 温度が低いときは赤っぽく、温度が高いほど青白くなる。夜空に輝く星々も青白い星ほど温度が高い。温度はK(ケルビン)で表示される。 理想的な黒体放射をもっとも再現するとされる空洞放射が温度のみに依存するという法則は、1859年にグスタフ・キルヒホフにより発見された。以来、空洞放射のスペクトルを説明する理論が研究され、最終的に1900年にマックス・プランクによりプランク分布が発見されたことで、その理論が完成された。 物理的に黒体放射をプランク分布で説明するためには、黒体が電磁波を放出する(電気双極子が振動する)ときの振動子の量子化を仮定する必要がある(プランクの法則)。つまり、振動子が持ちうるエネルギー は振動数 の整数倍に比例しなければならない。 この比例定数 は、後にプランク定数とよばれ、物理学の基本定数となった。これは、物理量は連続な値をとり量子化されない、とする古典力学と反する仮定であったが、1905年にアルベルト・アインシュタインがこのプランクの量子化の仮定と光子の概念とを用いて光電効果を説明したことにより、この量子化の仮定に基づいた量子力学が築かれることとなった。.

32 関係: 古典力学マックス・プランクレイリー・ジーンズの法則ヴィーンの放射法則ボース気体プランクの法則プランク定数アルベルト・アインシュタインウンルー効果ウィーンの変位則カーボンナノチューブ黒体キルヒホッフの法則 (放射エネルギー)グローブ温度グスタフ・キルヒホフケルビンシュテファン=ボルツマンの法則光子光電効果熱放射物理量黒体赤外線赤方偏移量子力学量子化色温度電磁波電気双極子恒星1859年1900年1905年

古典力学

古典力学(こてんりきがく、英語:classical mechanics)は、量子力学が出現する以前のニュートン力学や相対論的力学。物理学における力学に関する研究、つまり適当な境界の下に幾何学的表現された物質やその集合体の運動を支配し、数学的に記述する物理法則群に関する研究のうち、量子論以降の量子に関するそれを「量子力学」とするのに対し、レトロニム的に、量子論以前のもの(現代でもさかんに研究されている分野だが)を指してそう呼ぶ。 古典力学は、マクロな物質の運動つまり、弾道計算から部分的には機械動作、天体力学、例えば宇宙船、衛星の運動、銀河に関する研究に使われている。そして、それらの領域に対して、とても精度の高い結果をもたらす、最も古く最も広範な科学、工学における領域のうちの一つである。古典力学以外の領域としては気体、液体、固体などを扱う多くの分野が存在している。加えて、古典力学は光速に近い場合には特殊相対性理論を用いることによってより一般な形式を与えることとなる。同様に、一般相対性理論は、より深いレベルで重力を扱うこととなり、量子力学では、分子や原子における、粒子と波動の二重性について扱うこととなる。.

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マックス・プランク

マックス・カール・エルンスト・ルートヴィヒ・プランク(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858年4月23日 - 1947年10月4日)は、ドイツの物理学者で、量子論の創始者の一人である。「量子論の父」とも呼ばれている。科学の方法論に関して、エルンスト・マッハらの実証主義に対し、実在論的立場から激しい論争を繰り広げた。1918年にノーベル物理学賞を受賞。.

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レイリー・ジーンズの法則

レイリー・ジーンズの法則(レイリー・ジーンズのほうそく、Rayleigh–Jeans Law)は、黒体から放射される電磁波のエネルギー密度の理論式の1つである。 黒体から放射される電磁波のうち、波長が λ から λ+dλの間にある電磁波のエネルギー密度を f(&lambda)dλ とすると、レイリー・ジーンズの法則は、 と表される。ここで、T は熱力学温度、k は ボルツマン定数である。 この式は、.

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ヴィーンの放射法則

ヴィーンの放射法則(ヴィーンのほうしゃほうそく、)、あるいはヴィーンの公式、ヴィーンの分布式とは、熱輻射により黒体から放出される電磁波のスペクトルを与える理論式である。 この法則は1896年にヴィルヘルム・ヴィーンによって導かれたMehra and Rechenberg "The Historical Development of Quantum Theory"Bowley and Sánchez "Introductory Statistical Mechanics"。短波長(高周波数)領域における近似式であり、ヴィーン近似とも呼ばれる。 長波長(低周波数)領域では実験とずれが生じて記述できないが、全ての波長領域で正しく記述されるようにプランクの法則の形に修正された。英語の発音に基づくウィーンのカナ表記、呼称も用いられる。.

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ボース気体

想ボース気体(Bose gas)とは、古典的な理想気体に類似した量子力学的な相のこと。整数値のスピンをもつボース粒子から構成され、ボース–アインシュタイン統計に従う。ボース粒子の統計力学は、サティエンドラ・ボースが光子において開拓した。アルベルト・アインシュタインは質量を持つ粒子に対してボース統計を拡張するとともに、ボース粒子の理想気体が十分に低温で凝縮し、古典的な理想気体とは挙動が異なることを示した。この凝縮はボース=アインシュタイン凝縮と呼ばれる。.

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プランクの法則

プランクの法則(プランクのほうそく、Planck's law)とは物理学における黒体から輻射(放射)される電磁波の分光放射輝度、もしくはエネルギー密度の波長分布に関する公式。プランクの公式とも呼ばれる。ある温度 における黒体からの電磁輻射の分光放射輝度を全波長領域において正しく説明することができる。1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクによって導かれた。プランクはこの法則の導出を考える中で、輻射場の振動子のエネルギーが、あるエネルギー素量(現在ではエネルギー量子と呼ばれている) の整数倍になっていると仮定した。このエネルギーの量子仮説(量子化)はその後の量子力学の幕開けに大きな影響を与えている。.

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プランク定数

プランク定数(プランクていすう、プランクじょうすう、)は、光子のもつエネルギーと振動数の比例関係をあらわす比例定数のことで、量子論を特徴付ける物理定数である。量子力学の創始者の一人であるマックス・プランクにちなんで命名された。作用の次元を持ち、作用量子とも呼ばれている。SIにおける単位はジュール秒(記号: J s)である。.

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アルベルト・アインシュタイン

アルベルト・アインシュタイン日本語における表記には、他に「アルト・アインシュタイン」(現代ドイツ語の発音由来)、「アルト・アインタイン」(英語の発音由来)がある。(Albert Einstein アルベルト・アインシュタイン、アルバート・アインシュタイン アルバ(ー)ト・アインスタイン、アルバ(ー)タインスタイン、1879年3月14日 - 1955年4月18日)は、ドイツ生まれの理論物理学者である。 特殊相対性理論および一般相対性理論、相対性宇宙論、ブラウン運動の起源を説明する揺動散逸定理、光量子仮説による光の粒子と波動の二重性、アインシュタインの固体比熱理論、零点エネルギー、半古典型のシュレディンガー方程式、ボーズ=アインシュタイン凝縮などを提唱した業績などにより、世界的に知られている偉人である。 「20世紀最高の物理学者」や「現代物理学の父」等と評され、それまでの物理学の認識を根本から変えるという偉業を成し遂げた。(光量子仮説に基づく光電効果の理論的解明によって)1921年のノーベル物理学賞を受賞。.

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ウンルー効果

ウンルー効果(ウンルーこうか )またはフリング・デイビース・ウンルー効果(フリング・デイビース・ウンルーこうか )とは、慣性系にある観測者が何も観測しないような環境であっても、加速系にある観測者は黒体放射を観測するであろうと予言する、仮説上の効果である。 すなわち、加速系においては背景がより暖かく見えることが予言される。レイマンの用語でいえば、何もない空間で温度計を振ると、他のあらゆる温度への影響を差し引いても非零の温度を指し示すはずであるとも言い換えられる。慣性系における基底状態は、加速系では非零の温度と熱平衡にあるかのように観測される。 ウンルー効果は、1973年にスティーブン・フリングにより、1975年ににより、1976年にウィリアム・ジョージ・ウンルーにより初めて記述された。現状では、ウンルー効果が既に観測されたことがあるかについては明確ではなく、論争が続いている。ウンルー効果がウンルー輻射の存在を含意するかどうかについても疑いが提示されている。.

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ウィーンの変位則

各温度における黒体輻射のエネルギー密度の波長ごとのスペクトル ヴィーンの変位則(ウィーンのへんいそく、Wien's displacement law)とは、黒体からの輻射のピークの波長が温度に反比例するという法則である。ヴィルヘルム・ヴィーンによって発見された。ヴィーンはドイツの物理学者であるため「ヴィーン」が正しい名称となるが、慣習的に英語読みのウィーンの変位則とよばれることも多い。 ここで は黒体の温度(K)、 はピーク波長(m)、 は比例定数でありその値は である。CGS単位系では は約 0.29 cm·K である。.

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カーボンナノチューブ黒体

ーボンナノチューブ黒体(カーボンナノチューブこくたい)はスーパーグロースCVD法による単層カーボンナノチューブ(SWNT)のナノスケール垂直配向構造を利用した、最も黒体に近い物質。紫外線(UV-C)から可視光線、遠赤外線(F-IR)200nm-200µmまでの広い波長域で99%の光(電磁波)を吸収し、従来の黒体に最も近い物質に比べ3倍の性能がある。.

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キルヒホッフの法則 (放射エネルギー)

ルヒホッフの法則(キルヒホッフのほうそく、Kirchhoffsches Strahlungsgesetz) はグスタフ・キルヒホフが提唱した法則である。 放射率と吸収率が等しいという法則。局所熱平衡状態で成り立つ, 光と物体の相互作用に関する法則で、1860年に発見された。 物体が熱放射で放出する光のエネルギー(放射輝度)を, 同温の黒体が放出する光(黒体放射)のエネルギーで割った値を放射率(射出率)という。放射率は, 0以上1以下の値であり, 物質により, また, 波長により異なる。一方, ある波長の光が物体に当たった時, その光のエネルギーの内, 物体に吸収されるエネルギーの割合を吸収率という。吸収率も, 物体により, また, 波長により異なる。.

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グローブ温度

ーブ温度(グローブおんど、)とは、仮想黒体の球(グローブ温度計)を用いて測られる温度。黒球温度とも呼ばれる。周囲からの熱輻射による影響を観測するために用いられる。気流が静穏な状態では、作用温度とほぼ一致する。 グローブ温度計は薄い銅製であり、表面には黒体塗装が施されている。.

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グスタフ・キルヒホフ

分光器を使っているキルヒホフ グスタフ・ロベルト・キルヒホフ(Gustav Robert Kirchhoff, 1824年3月12日 - 1887年10月17日)は、プロイセン(現在のロシアのカリーニングラード州)生まれの物理学者。電気回路におけるキルヒホッフの法則、放射エネルギーについてのキルヒホッフの法則、反応熱についてのキルヒホッフの法則は、どれも彼によってまとめられた法則である。 グスタフ・キルヒホフは1824年、ケーニヒスベルク(現在のカリーニングラード)で生まれた。ケーニヒスベルクにあるケーニヒスベルク大学で学び、1850年にブレスラウ大学員外教授に就任した。 学生時代にオームの法則を拡張した電気法則を提唱。1849年に電気回路におけるキルヒホフの法則として纏め上げた。この法則は電気工学において広く応用されている。 1859年、黒体放射におけるキルヒホフの放射法則を発見した。 ロベルト・ブンゼンとともに、分光学研究に取り組み、セシウムとルビジウムを発見した。フラウンホーファーが発見した太陽光スペクトルの暗線(フラウンホーファー線)がナトリウムのスペクトルと同じ位置に見られることを明らかにし、分光学的方法により太陽の構成元素を同定できることを示した。 このほか音響学、弾性論に関しても研究を行った。.

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ケルビン

ルビン(kelvin, 記号: K)は、熱力学温度(絶対温度)の単位である。国際単位系 (SI) において基本単位の一つとして位置づけられている。 ケルビンの名は、イギリスの物理学者で、絶対温度目盛りの必要性を説いたケルビン卿ウィリアム・トムソンにちなんで付けられた。なお、ケルビン卿の通称は彼が研究生活を送ったグラスゴーにあるから取られている。.

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シュテファン=ボルツマンの法則

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光子

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光電効果

光電効果(こうでんこうか、photoelectric effect)とは、外部光電効果と内部光電効果の総称である。単に光電効果という場合は外部光電効果を指す場合が多い。内部光電効果は光センサなどで広く利用される。光電効果そのものは特異な現象ではなく酸化物、硫化物その他無機化合物、有機化合物等に普遍的に起こる。.

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熱放射

熱放射(ねつほうしゃ、thermal radiation)は、伝熱の一種で、熱が電磁波として運ばれる現象。または物体が熱を電磁波として放出する現象をさす。熱輻射(ねつふくしゃ)、あるいは単に輻射ともいう。 熱を運ぶ過程には大きく分けて次の三通りがある。.

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物理量

物理量(ぶつりりょう、physical quantity)とは、.

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黒体

黒体(こくたい、)あるいは完全放射体(かんぜんほうしゃたい)とは、外部から入射する電磁波を、あらゆる波長にわたって完全に吸収し、また熱放射できる物体のこと。.

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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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量子力学

量子力学(りょうしりきがく、quantum mechanics)は、一般相対性理論と同じく現代物理学の根幹を成す理論として知られ、主として分子や原子、あるいはそれを構成する電子など、微視的な物理現象を記述する力学である。 量子力学自身は前述のミクロな系における力学を記述する理論だが、取り扱う系をそうしたミクロな系の集まりとして解析することによって、ニュートン力学に代表される古典論では説明が困難であった巨視的な現象についても記述することができる。たとえば量子統計力学はそのような応用例の一つである。従って、生物や宇宙のようなあらゆる自然現象もその記述の対象となり得る。 代表的な量子力学の理論として、エルヴィン・シュレーディンガーによって創始された、シュレーディンガー方程式を基礎に置く波動力学と、ヴェルナー・ハイゼンベルク、マックス・ボルン、パスクアル・ヨルダンらによって構成された、ハイゼンベルクの運動方程式を基礎に置く行列力学がある。ただしこの二つは数学的に等価である。 基礎科学として重要で、現代の様々な科学や技術に必須な分野である。 たとえば科学分野について、太陽表面の黒点が磁石になっている現象は、量子力学によって初めて解明された。 技術分野について、半導体を利用する電子機器の設計など、微細な領域に関するテクノロジーのほとんどは量子力学を基礎として成り立っている。そのため量子力学の適用範囲の広さと現代生活への影響の大きさは非常に大きなものとなっている。一例として、パソコンや携帯電話、レーザーの発振器などは量子力学の応用で開発されている。工学において、電子工学や超伝導は量子力学を基礎として展開している。.

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量子化

量子化(りょうしか、quantization)とは、ある物理量が量子の整数倍になること、あるいは整数倍にする処理のこと。.

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色温度

色温度(いろおんど、しきおんど、英語:color temperature)とは、ある光源が発している光の色を定量的な数値で表現する尺度(単位)である。単位には熱力学的温度の '''K(ケルビン)''' を用いる。.

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電磁波

電磁波(でんじは )は、空間の電場と磁場の変化によって形成される波(波動)である。いわゆる光(赤外線、可視光線、紫外線)や電波は電磁波の一種である。電磁放射()とも呼ばれる。現代科学において電磁波は波と粒子の性質を持つとされ、波長の違いにより様々な呼称や性質を持つ。通信から医療に至るまで数多くの分野で用いられている。 電磁波は波であるので、散乱や屈折、反射、また回折や干渉などの現象を起こし、 波長によって様々な性質を示す。このことは特に観測技術で利用されている。 微視的には、電磁波は光子と呼ばれる量子力学的な粒子であり、物体が何らかの方法でエネルギーを失うと、それが光子として放出される。また、光子を吸収することで物体はエネルギーを得る。.

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電気双極子

電気双極子()とは、大きさの等しい正負の電荷が対となって存在する状態のことである。.

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恒星

恒星 恒星(こうせい)は、自ら光を発し、その質量がもたらす重力による収縮に反する圧力を内部に持ち支える、ガス体の天体の総称である。人類が住む地球から一番近い恒星は、太陽系唯一の恒星である太陽である。.

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1859年

記載なし。

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1900年

19世紀最後の年である。100で割り切れるが400では割り切れない年であるため、閏年ではなく、4で割り切れる平年となる。.

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1905年

記載なし。

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黒体輻射

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