クエリ: 空が青く見える原因でもある、光の波長以下の大きさの粒子による散乱現象を、イギリスの物理学者の男爵名から何という?
文章: 青 人々が自然の中で最も身近に接する晴れた空の青色は、光の波長より小さな空気分子が短い波長をより多く散乱するレイリー散乱によるものである。日中は太陽の光のうち波長の短い青色が多く散乱されてわれわれの目に届くため青く見える。この青空の色の原因については、それがあまりに日常的であったため古代にはあまり注目されてこなかった。それが説明されるべきものと考えられるようになったのはルネサンス以降である。晴れた日に海など屋外の水面を斜めから見たときそれらは青く見え、通常海は青いものと思われている。こうして目にする青さのほとんどは、青空が映っているからであり、他の状況では海はさまざまな色を呈する。ただし、水は長波長の可視光をより多く吸収するので、海中で物は青っぽく見え、また、海中の浮遊物や、ある程度の深さのあるサンゴ礁のような明るい海底に当たって反射してきた光もそれそのものが青く見える。
文章: 空 朝や夕方の太陽が低い時間帯は、光が地上に届くまでに大気中を通る距離が長い。この場合、青や緑などの光は強く散乱され、赤の光が最も地上まで届きやすく、朝や夕方の太陽やその周りの空は赤色や橙色(オレンジ色)に見える。 日没後や日の出前、太陽が地平線下18°位までの薄明かりの状態を薄明と呼ぶ。太陽光の散乱がわずかに残るために生じる。ただし、都市周辺では街の明かりにより薄明を識別することが難しい。 なお、雲は水滴の大きさが可視光線の波長と同程度にありミー散乱を受ける。どの色の波長も同じように散乱されるので白色に見え、厚い雲の影の部分は光が弱くなって灰色や黒色に見える。 文章: ブラウン運動にまつわる誤解 1827年(1828年説も)、イギリスの植物学者ロバート・ブラウンは、花粉を観察していた際、細かな粒子が不規則に動く現象、いわゆるブラウン運動を発見した。当初はロバートはこれを生命に由来する現象と考えたが、のちに微細な粉末なら生物に由来しなくてもこの運動が生じることも発見した。1905年にアインシュタインが媒質の熱運動による物理学的事象だと説明した。 上記において、ロバートが観察した「細かな粒子」は、正確には「花粉粒から出た細粒子」(tiny particles from the pollen grains of flowers、『PSSC物理』原著)であり、花粉そのものではない。花粉の大きさは通常、直径30 - 50μm、小さいものでも10μm程度はある。対して水分子は、球形ではないため場所により差があるが約0.3nmであり、花粉に対して約10万分の1と余りにも小さく実際に花粉を揺り動かすには至らない。ロバートがブラウン運動を見つけた粒子とは、水に浸漬した花粉が浸透圧のために膨らんで破裂し、中から流れ出したデンプン粒などのより微細な粒子であった。 これがいかにして「花粉が動いた」という誤った内容に変化したのか詳細は不明だが、研究結果を伝達または翻訳する過程で起こった間違いに端を発し、多くの著名な学者までもが誤解を気づかないままに増幅させ、一般にまで流布する手助けをしてしまったという経緯である、と推測できる。 文章: 分散系 ジョン・ティンダルによって発見されたためこの名がある。 ミー散乱の強度は粒子径と波長がほぼ等しいときに最大となり、光の入射方向より特に前方側に多く散乱する特徴がある。ミー散乱の強度は波長に特に依存しないので、太陽光の場合は白っぽく見えることになる。 凝析(ぎょうせき、flocculation)は、分散質粒子同士が吸着集合して沈降する現象であり、イオン性物質(塩(えん))により引き起こされる凝析は塩析(salting out)と呼ばれる。一般に、分散質粒子は表面張力と同義の、分子間力の総和にあたる粒子間ファンデルワールス力引力を普遍的に有する。一方、分散質粒子の表面には組成と溶媒の極性の差による電位差が存在し、その表面電位と逆符号の対イオンによる拡散電気二重層が形成される。同種の粒子には同種の対イオン二重層を有するため、粒子が接近すると二重層が重なり合い、イオン拡散に由来するエントロピー効果によって浸透圧斥力が生じ、粒子の凝集が妨げられ分散系は安定化する(DLVO理論)。親水コロイドの場合、疎水コロイド同様に表面電荷を持つとともに、水和(溶媒和)により多数の水分子が配位しており、その立体斥力によってさらに強く反発し安定化する。保護コロイドは、表面にタンパク質等が吸着し、表面電位が変化し安定化している場合もある。DLVO理論によると、分散系にイオン性物質を加えた場合、バルクのイオン濃度が上昇するため相対的に電気二重層のイオン濃度が低下し(バルク溶媒と近くなり)、結果として浸透圧(斥力)が弱まり、粒子間ファンデルワールス力による凝集力が優位に発現する。親水コロイドや保護コロイドは保護層を形成している水和水やタンパク質などに塩やエタノールが吸着して分散質表面から引き剥がしてから電位差が弱化されるので、より大量の凝析・塩析物質を添加する必要がある。各種ゾルに対するイオンの凝結能力(臨界ミセル濃度の逆数)で測定すると、 文章: コンプトン効果 コンプトン効果とは、X線を物体に照射したとき、散乱X線の波長が入射X線の波長より長くなる現象である。これは電子によるX線の非弾性散乱によって起こる現象であり、X線(電磁波)が粒子性をもつこと、つまり光子として振る舞うことを示す。また、コンプトン効果の生じる散乱をコンプトン散乱と呼ぶ。 文章: 限外顕微鏡 限外顕微鏡(げんがいけんびきょう)は特殊な照明装置を用いた、非常に小さな粒子を観察できる顕微鏡。粒子の直径が可視光の波長(約500ナノメートル)近辺もしくはそれ以下の場合、通常の照明装置では粒子を観察できないが、限外顕微鏡法は光の反射ではなく、光の散乱に基づいているため、観察が可能である。 限外顕微鏡では、粒子を液体または気体コロイド(もしくはさらに不均一な懸濁液)などに分散させて観察する。コロイドを遮光容器の中に入れ、一方向から強い光線を照射すると、コロイド粒子に当たった光が散乱する(チンダル現象)。 光線に対して直角に設置した普通の顕微鏡で見ると、個々の粒子が不規則に動くぼんやりとした小さい光として観察できる。光の散乱を使用しているので、光の反射より得られる像が不鮮明になる。 ほとんどの液体や気体コロイド中で、粒子はブラウン運動をしている。 限外顕微鏡は透明の固体やゲルに分散した不透過粒子の観察にも用いることができる。 限外顕微鏡(ultramicroscope)の"ultra"は、可視光の波長よりも直径が短い粒子を観察できることを意味する。これは(可視光より短波長である)紫外線(ultraviolet)に倣って付けられたものである。 文章: 衝効果 衝効果 (しょうこうか、英語: opposition surge) とは、粗い表面や多数の粒子に覆われた天体が観測者の真後ろから照らされた時に明るさが増す現象のことである。英語では、opposition effect、opposition spike とも呼ばれる。また、この分野における研究の先駆者であったフーゴ・フォン・ゼーリガーから、ゼーリガー効果 (Seeliger effect) と呼ばれることもある。この用語は主に天文学の分野で広く使われており、一般に惑星や衛星、彗星などの天体を観測する位相角がゼロに近付いた際に、明るさが急激かつ顕著に上昇する現象を指す。月や火星などが衝の位置にある時の反射光が、単純にランバート反射を仮定した場合に予測される明るさよりも著しく明るく見えることからこの名前で呼ばれている。満月がとりわけ明るく見えるのも、衝効果による増光が部分的に寄与している。 文章: ウィリアム・パーソンズ (第3代ロス伯爵) 第3代ロス伯爵ウィリアム・パーソンズは、アイルランドの天文学者・貴族・政治家。一般にはロス卿 の名前で知られている。星雲や銀河の膨大な観測データを残した。1807年から1841年までオクスマントン卿の儀礼称号を使用した。 文章: IC 4592 可視光は一般的に、波長の長い赤い光よりも、波長の短い青い光の方が散乱されやすい。このため反射星雲に光を当てている恒星の光の中で、青い光を散乱させやすいため、このIC 4592も地球から見ると青っぽく見える。加えてIC 4592を地球から見るとウマの頭のようにも見える形状をしていることから、IC 4592は「Blue Horsehead Nebula」直訳すると「青い馬頭星雲」としても知られている。 文章: 光渦 光は伝播の軸のまわりにらせん状にねじることができる。ねじれているので光の波はその軸の場所で打ち消される。平面上では、光渦は光の輪と中心に暗い穴があるように見える。中心に暗い部分のある光のらせんが光渦と呼ばれている。渦は定められた番号を持ちそれはトポロジカルチャージと呼ばれ、いくつのねじれが一波長の中にあるかに一致している。この番号は常に整数で、正の値でも負の値でも良くねじれの向きによる。ねじれの番号が大きくなると光はより速く軸の周りを回る。この回転は波列とともに軌道角運動量を運ぶ。また電気双極子上にトルクを引き起こす。この光の軌道角運動量はトラップされた粒子の周回運動で観測することができる。光渦と球面波を干渉させるとらせん状の位相が同心円状のらせんとなって現れる。らせんの腕の本数がトポロジカルチャージと等しい。光渦はさまざまな方法で研究室で作られる。 文章: 粒子と波動の二重性 19世紀の終わりまでには、物質は、原子と呼ばれる粒子が集まってできているとする原子論が確立していた。電流は、初めは流体だと考えられていたが、陰極線を用いたジョゼフ・ジョン・トムソンの研究によって、電子と呼ばれる粒子の流れであることがわかった。これらの事実によって、自然界の大部分は粒子からできていると考えられるようになっていた。同じ頃、波動については、光の回折や干渉の現象を通じて十分に理解が得られていた。ヤングの実験やフラウンホーファー回折の現象から、光は波動だと考えられていた。 しかし、1905年のアインシュタインによる光電効果の実験などよって、光が粒子のような性質も持つことが示され、1923年のコンプトン散乱の発見によって、それは確かめられた。一方で、粒子だと考えられていた電子について、電子回折が予言された後、実験により確かめられ、電子が波動のような性質も持つことが示された。 粒子と波は、それぞれ互いに相容れないように思えるが、20世紀前半に粒子と波動の両方の性質をもつ「量子」が仮定され、量子論が提唱された。その後、20世紀の終わりには、粒子と波動の二重性の正確な定量もなされた。こうして現代では、古典的な粒子説、波動説の欠点を補い、微小系の振る舞いを記述できる。 文章: 雲 詳しくは降水過程参照。また、雨粒の成長の計算はメイスンの方程式(Mason equation)などにまとめられている。 氷晶は、六角柱、六角板、針状、樹枝状などの独特な結晶を形成する。氷晶がくっついて重なり成長したものが雪の粒子(雪片)である。 たいていの場合、雲は白色や灰色に見えることが多い。白色に見えるのは雲粒が太陽光を散乱するからだが、雲粒の大きさの粒子は可視光線領域のいずれの波長の光(色)も同じように散乱するミー散乱が起こっているので無彩色の白色となる。そして、厚みのある雲は灰色、特に雲の底の部分は黒色に近い暗い色に見えるが、これは濃度の高い雲粒により雲内で何度も太陽光が散乱・吸収された結果、光が弱まるためである。なお、雲は分散系の中でもエアロゾルに分類できる。 文章: クライン=仁科の公式 クライン=仁科の公式(クライン=にしなのこうしき、英: Klein-Nishina's formula)は、量子電磁力学の最低次での、束縛を受けていない自由電子による光散乱の散乱断面積を与える関係式である。可視光など低周波数領域ではトムソン散乱となり、X線やガンマ線などの高周波数領域ではコンプトン散乱となる。1929年にスウェーデンの物理学者であるオスカル・クラインと日本の物理学者である仁科芳雄の2氏により導かれた。これはディラック方程式を用いた量子電磁力学による初期の研究成果であり、相対論と量子論の効果を考慮する事で光散乱の精密な関係式が得られたものである。 文章: GJ 3470 b 3μmの波長による観測では、他の波長による観測と比べ、GJ 3470 b の直径が約6%小さくなる事が判明した。この差は、GJ 3470 b が透明な大気を持つことによる影響と考えられている。GJ 3470 b が通過している際の GJ 3470 からの光は、GJ 3470 b の大気を通過したものが含まれていると考えられる。大気中に含まれる分子によって、GJ 3470 b の大気を通過する GJ 3470 の光は散乱や吸収によって減光するが、その度合いは波長によって変わってくる。ただし、大気中に厚い雲が含まれていると散乱の度合いがどの波長においても同程度になる。1.3μmという特定の波長のみが他の波長と比べて半径に差が生ずるということは、少なくとも GJ 3470 b の大気は透明であり、雲が含まれていないことが分かる。このことから、GJ 3470 b は「晴れの惑星」などと呼ばれる。 文章: インジウム 名前は発光スペクトルが濃い藍色 (indigo) であったことが由来。 文章: 量子力学 マイケル・ファラデーやカール・フリードリヒ・ガウスが幾何学的考察から見出した電磁力に関する法則をジェームズ・クラーク・マクスウェルが1864年にマクスウェルの方程式としてまとめ、電磁波の存在を予想した。この予想に基づいて1887年にハインリヒ・ヘルツが電磁波の実証実験に成功し、無線の発明の基礎を与えた。さらに、この実験の中で後の量子力学の端緒のひとつとなった光電効果を発見した。光電効果はその後フィリップ・レーナルトらによって実験的研究が進められた。 1905年にアルベルト・アインシュタインは、プランクの用いた量子化の概念を用いて、電磁波に粒子としての性質があること(光量子仮説)を発表した。1923年にアーサー・コンプトンが電子によるX線の散乱においてコンプトン効果を発見したことで有力な証拠を得た(詳細は光量子仮説の項を参照)。 1924年にルイ・ド・ブロイは、アインシュタインが1905年に発表した光量子仮説に基いて、光が粒子のように振る舞うように、物質も波のように振る舞うという仮説を立て、粒子の運動量と物質波の波長を結びつけた。ド・ブロイの仮説の正当性は後に、1927年のデイヴィソン=ガーマーの実験によって示された。金属結晶による電子線の回折を確認する実験は、クリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーらの他に、1927年にジョージ・パジェット・トムソンによっても行われており、デイヴィソンとパジェット・トムソンはこの功績により1937年のノーベル物理学賞を得ている。1928年には日本の菊池正士も雲母の薄膜による電子線の干渉現象を観察し、電子が波動性をもっていることを示している。