質問: 光の振幅の大きさ 教科書でも参考書でも波長・振動数の数値は載っていますが、振幅の値が出ていません。幅があるとすればどの程度なのか。また、太陽光と単色光の振幅の差はどの程度なのか。ご教示ください。宜しくお願いします。
回答: >幅があるとすればどの程度なのか。 まず波のエネルギーは、振幅の大きさも表すことはお分かりですよね。振幅0ならばエネルギーも0、つまり光はないことになり、波が強くなる、つまりエネルギーが大きくなるということは振幅も大きくなります。 というより、正確には光であれば電場と磁場が光の強さなのです。明るいということは振幅も大きく、暗いということは振幅も小さいわけです。光がなければ振幅も0です。 光の強さは最小は0、強い方は光源次第で幾らでも強い光は出せますから、そうすると「範囲」というものは存在しないわけです。 で光の強さから振幅を求める方法ですが、 いま1wの光が0.1m^2の面積をもって進んでいることを考えますと、光のエネルギーの流れを表すポインティングベクトルs=1w/0.1m^2=10w/m^2が求まり、これから、エネルギー密度uは、 u=s/c=10/(3×10^8)=3.3×10^-8 jm^-3 と求まります。(cは光速度) で光は電場と磁場で構成されているので、真空中(大気でもほぼ同様)の電場の振幅と磁場の振幅を求めると、 電場e=sqrt(u/ε0)=sqrt(3.3x10^-8/(9x10^-12)) =60v/m sqrt()は平方根、ε0=9×10^-12 で真空の誘電率です。 磁場は b=e/c=60/(3x10^8)=2×10^-7 t (tはテスラという単位です) となります。 単色光でない場合については、波長分布がありますから、基本的には波長ごとのエネルギーから波長ごとの振幅を求めるか、あるいは「平均的な振幅」としてまとめて上記のように表すかという話になります。 >太陽光と単色光の振幅の差はどの程度なのか。 これだけでは答えは出ません。太陽光の強さをいくつとするのか、単色光の強さをいくつとするのかわかりません。 蛇足ですが、地表面に降り注ぐ全太陽光エネルギーは1m^2あたり1kwほどなので、さっきの計算結果を10倍ほどすると太陽光の平均的な電場の振幅と磁場の振幅と言えるでしょう。 (もちろん地表面に降り注ぐ平均的な値で、緯度経度により値は変わります) では。