反応物理化学（第２回）

光化学と光物性の基礎

１．光とは何か

1-­‐1.  波としての光  

光は電場と磁場が振動しながら伝搬する電磁波

横波

音波は縦波

光、電磁波の真空中を進む速さ＝光速

＝ 3.0  ×  108  [m/s]

波を分類するには：

波長　 波数

振動数

1-­‐2.　波長による分類　 （プリント）

（i） 真空紫外 （VUV）　<  200  nm            •   O2,  N2などが200  nm以下の波長の光を吸収  

（ii） 紫外 （UV）　200  nm  <  λ  <  400  nm  

（iii） 可視 （VIS）　400  nm  <  λ  <  700  nm

400  <  紫  <  430  <  青  <  490  <  緑  <  550  <  黄  <  590  <  オレンジ  <  640  <  赤  <  700  

（iv） 近赤外 （NIR  IR）　700  nm  <  λ  <  3  µm

（v） 赤外 （IR）　3  µm  <  λ  <  30  µm

3333  cm-­‐1  <  波数  <  333  cm-­‐1

（vi） テラヘルツ光 　　　　30  µm  <  λ  <  100  µm

100  THz  <  ν  <  10  THz

10  THz  <  ν  <  1  THz

hFp://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/20/04/08040301/001.pdf  hFp://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/20/04/08040301/002.pdf

一家に一枚　光マップ

（vii） マイクロ波 　100 µm  <  λ  <  1  m

μmと関係ない

3  THz  <  ν  <  300  MHz

100  cm-­‐1  <  波数  <  10  cm-­‐1

W  band:  75-­‐111  GHz  Ku  band:  12-­‐18  GHz  X  band:  8-­‐12  GHz  

S  band:  2-­‐4  GHz  L  band:  0.5-­‐1.5  GHz  P  band:  0.25-­‐0.5  GHz  

電子スピン共鳴（ESR） BS放送  

電子レンジ，携帯電話，無線LAN  地上波デジタル（470-­‐770  MHz)，アナログUHF  FM,  AM,  核磁気共鳴（NMR）  

クイズ　（１）

エネルギーが3.2  eVの光のエネルギー（kJ/mol）はいくらか？  

制限時間　５分

素電荷：1.60ｘ10-­‐19  [C]，アボガドロ数（NA）：6.02  x  1023  [mol-­‐1]，  

光の速さ：3.00  x  108  [ms-­‐1]，プランク定数：6.63  x  10-­‐34  [Js]  

①    3.08  kJ/mol  

②  30.8  kJ/mol  

③  308    kJ/mol  

④  3.08  MJ/mol

クイズ　（１）

エネルギーが3.2  eVの光のエネルギー（kJ/mol）はいくらか？  

制限時間　５分

正解　  

　　③　308    kJ/mol  

3.2  [eV]  =  3.2  ×  1.60  ｘ  10-­‐19  [  J  ]                                  =  3.2  ×  1.60  ｘ  10-­‐19  ｘ 6.02  x  1023  [  J/mol  ]    

1-­‐3.　粒子としての光　

（１）黒体輻射の実験： レイリー・ジーンズ  ウィーン  プランク  

（２）光電効果の実験：  （３）光量子仮説：  

光のエネルギーの量子化

レナード  アインシュタイン  

E  =  hν

（４）コンプトン効果の実験： コンプトン  

P  =  E/c  =  hν/c  =  h/λ  

1-­‐3.　粒子としての光　

（１）黒体輻射の実験： レイリー・ジーンズ  ウィーン  プランク  

（２）光電効果の実験：  （３）光量子仮説：  

光のエネルギーの量子化

レナード  アインシュタイン  

E  =  hν

（４）コンプトン効果の実験： コンプトン  

P  =  E/c  =  hν/c  =  h/λ  

（1）黒体輻射の実験

黒体：すべての振動数の放射を一様に吸収したり放射できる理想的放射体  

Q．黒体をいろいろな温度で加熱したときの放射スペクトルはどうなるか？

低温→赤く光る  高温→青白く光る

（プリント）

Rayleigh-­‐Jeans

統計力学のエネルギー等分配の法則  

   エネルギーは連続でかつ温度（T）によってのみ決まる  

   １つの自由度あたり時間平均されたエネルギー  <E>

例えば、波の自由度は２なので，１次元のひとつの波の  エネルギーは kT

３次元の波の自由度：

€

ρ ν,T( ) dν =8πν 2

c 3kT dν

温度    T  での振動数 ν  と ν  +  dν  との間の発光の輻射密度（発光強度，エネルギー）：  

k:　ボルツマン定数  c： 光速

発光強度は ν 2 に比例

（ν  と ν  +  dν  との間にある，波の固有振動の数）

ν  →  λ なので

（プリント）

いろいろな波（自由度）に、エネルギーを等分配する。  

結果としてλが小さい方が分配されるエネルギーが大きい。  

λ  が小さい程，一定のdλ  に入る場合の数が多い。  

レイリー・ジーンズの考え方  

紫外部破綻？

1-­‐3.　粒子としての光　

（１）黒体輻射の実験： レイリー・ジーンズ  ウィーン  プランク  

（２）光電効果の実験：  （３）光量子仮説：  

光のエネルギーの量子化

レナード  アインシュタイン  

E  =  hν

（４）コンプトン効果の実験： コンプトン  

P  =  E/c  =  hν/c  =  h/λ  

次回