無機物質化学の資料.docVIP

授業のポイント 【量子論の世界】 　量子論とは、ミクロの世界の物質観。我々が普通に目にする世界とは全く異なった世界です。量子とは「ある量」（例えばエネルギー等）が小さな固まりになったものを言います。量子論の扉を開いたのは、ドイツのプランクで、光の研究でエネルギー量子仮説を１９００年に発表しました。 【光とは？】 永年に渡って粒子か波かの論争の対象 ニュートン：光の粒子説 　　　　太陽光がプリズムで７色に分かれるのは、多くの色の粒子の集合体　　　　　　　 　　　　だからと考えた。また、物体に影ができるのも光が粒子の証拠とした。 ホイヘンス：光の波動説 　　　　細い光線をぶつけても互いに通り抜け、向きを変えないのは光が波で　 　　　　ある証拠とした。物体は、光の波に対し大きいため影ができると説明。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ヤング：光の干渉作用をダブルスリット実験で証明し、光が波であることを 　　　　決定付けた マクスウェル：電磁波を予言。電流と磁気は密接に関係しあう現象だが、電気　　 　　　　　　　力の働く空間（電場）と磁気力の働く空間（磁場）が振動しな　　 　　　　　　　がら空間を伝わることを予言し、計算で速度を求めると光速と　 　　　　　　　一致した。すなわち光は電磁波と言う波の一種とした。 ヘルツ：実験で電磁波を証明。振動数の単位をヘルツ（?）とした。 　　　　可視光では、色の違いは波長の違いである。 しかし、光が波であるなら、それを伝える媒質は何か？なぜ、真空でも光は伝わるのかと言う疑問が残った。 【プランクの実験】 　彼は、完全に黒い物質（黒体）が加熱により発する光の波長毎の強度と温度の関係を調べた。その結果、どの温度においても、光の強度は振動数が大きくなるのにつれて大きくなるが、あるところで最大となりそれ以上振動数が増加すると強度は逆に小さくなる。また、温度が高くなるにつれ、光の強度が最大となる振動数は大きくなった。 　この現象は、光が波であるとしての計算には全くあわなかった。光が波であれば、どんなに小さな波長の波でも考えられ、その波１つ１つにエネルギーが等分配されると、波長の小さな（振動数の大きな）波程大きなエネルギーを受け取り、光の強度に最大値はできない。 　プランクは、光のエネルギーは１個２個と数えられる粒のようなものと考えた。ある振動数??の光が持つエネルギー値は、h??を最小単位とする整数倍となるとした。この場合、エネルギーの最小値は、h??で、その後、? h??、? h?????と言うとびとびの値になる。また、光のエネルギーは、振動数に比例する。 光がエネルギーのやり取りをする場合、h??をひと固まりとして受け渡しをするので、大きな振動数では有限のエネルギーは分配できなくなる。 【光電効果】 アインシュタインにより、光は明確に粒子の性質を持つとされた。 　金属板に光を当てると、電子が飛び出す現象。 光の振動数が大きい程、飛び出す電子のエネルギーが大きい。振動数を　 　 小さくして行くとやがて電子は飛び出さなくなる。 当てる光の強度（振幅）を大きくすると、飛び出す電子のエネルギーは 　 変わらないが、飛び出す電子の数が増える。 （説明） 　電子のエネルギーは、光のエネルギーから移ったものであるから、電子のエネルギーが高いことは、照射した光のエネルギーが高いことを意味する。すると、光のエネルギーは、振動数に依存することになる。また、振幅が電子の個数に関係する等、光が波と考えては、全く理解できない現象である。 　アインシュタインは、光がh??のエネルギーを持つ粒子（光子）の集団と考えた。すると、振動数が大きい程、光子のエネルギーは大きくなる。また、光の強度（振幅）を大きくすることは、当てる光子の数を増やすことになり、電子の個数が増えることは理解できる。 　これにより、光は粒子の性質を有することが確認された。 一方、干渉作用等、光は確実に波でもある。 すなわち、光は粒子と波の双方の性質をあわせ持つ不思議な現象であることが分かった。これが量子論の扉である。 　　その後、コンプトンは、金属薄膜に光よりももっとエネルギーの大きなX線を照射した。するとやはり電子が飛び出すが、同時にX線も飛び出した。飛び出したX線の波長（λ‘）は、元の波長（λ）より長い（νが小さい）。つまり、hνも小さくなるので、エネルギーが減っていることになる。彼はこの減った分が電子に奪われたと考えた。この時、飛び出すX線のλ’は、角度（θ）が大きい程、長い。ここで、彼は振動数νの光がアインシュタインの言う様にhν／cの運動量を持つとして光子と電子が衝突する際の、運動量保存とエネルギー保存の関係からθとλ’の関係式を導いた。する