質問: 光のエネルギーと体感温度について 光は振動数が高いほどエネルギーが大きいと教わりました。 光電効果で光が電子をたたき出すとき振動数の低い光をどんなに照射しても飛び出してこないが光の振動数を上げると飛び出してくるという説明です。 鉄を熱して温度を上げていくと色が赤、黄、青へと変化し溶け出すといいます。 しかし強い青色を浴びても熱く感ぜづ赤外線が強いほど熱くなりやがて溶け出すのではないでしょうか。つまり振動数の低い赤外線が大量にあれば鉄は熔けるのではないでしょうか? 温度が高いということは (1)光の振動数が高いことなのか (2)赤外線の光子数が多いことなのか (3)エネルギーの量が多いことなのか よく理解できないのですが?
回答: 質問内容から質問者が理系の高校3年生~大学1年生だと考え解答します。 温度とは一般的に原子の振動です。鉄が溶けるのもこの原子の振動によるものです。よって、電子が叩きだされる事とは少し違うのです。 まず光吸収による温度上昇についてです。 温度上昇は原子が吸収できたエネルギーの総量で決まります。共振と言う言葉を耳にしたことがあると思いますが、原子はそれぞれの物質特有の振動数に近い揺れの電磁波以外には反応しません。それ以外の電磁波は物質を素通りしてしまうのです。例えば、1万円を1000円札5枚と100円玉50枚で払う場合、ある物質は、100円玉しか受けとってくれないとします。この時、その物質が吸収するエネルギーは100×50=5000円分ということになりますね。可視光は、振動数が小さ過ぎてガラスを透過するし、レントゲンに使われるx線は振動数が大き過ぎて人体を透過します。 <鉄を熱して温度を上げていくと色が赤、黄、青へと変化する。 原子がどのような主にどのような種類の電磁波を吸収・放出するかは、物質以外にも原子の状態(温度)によるのです。(詳しくはマクスウェル分布・ボルツマン分布などを調べてください) <青色を浴びても熱く感ぜづ赤外線が強いほど熱くなりやがて溶け出すのではないでしょうか。 人間の体は主に赤外線を熱として吸収するので、感覚的にそのように思われているのだと思います。赤外線のみが熱を発生させるものだとは限りません。因みに紫外線は「熱=原子の振動」としては吸収されずに「電子の振動」(少し語弊がありますが)として吸収されます。これは細胞の破壊につながるため、これを防ぐために紫外線を「熱=原子の振動」として吸収できるメラニン色素を体表面に集めることによって、人間は体を守っているのです。これがいわゆる日焼けです。 上記のように、一番良く吸収・放出する電磁波の種類は原子の状態にもよりますし、例えば500ghzの電磁波を一番よく吸収する物質も550ghzや600ghzの電磁波も多少吸収するので、青色の光も吸収し得ます。 光電効果 光電効果は「電子が受け取ったエネルギー」による現象ですが(この時点で熱と関係ない)、この時飛び出してきた電子1個のエネルギーは、hν-wである言うことが実験的に示されました。hは定数、νは振動数、wは物質から真空へ飛び出していく間に奪われるエネルギー(仕事関数)です。この式には「電磁波の総エネルギー量」が関数に入っていません。これは電子が「hνと言うエネルギーを持ったたった一個の光子を受け取った」と考えれば辻褄が合うわけです。これが、光電効果の示す真髄であり、アインシュタインはこの解釈を発表しノーベル賞を受賞しました。因みに良くある誤解ですが、彼は相対性理論ではノーベル賞を受賞していません。 補足として、 「電子の振動」を「電子温度」として扱う場合もありますが、プラズマや高電圧を扱わない限りはあまりお目にかからないと思います。