「量子力学/量子力学の発展」の版間の差分

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ヴィーンの測定方法について、詳述
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理想的な黒体放射を現実にもっとも再現するとされる空洞放射が温度のみに依存するという法則は、[[w:グスタフ・キルヒホフ|グスタフ・キルヒホフ]]により1859年に発見されました。実際には、キルヒホフは鉄を精製するための高炉の研究を行っていました(図2)。以来、空洞放射のスペクトルを説明する理論が研究されました。当初の研究のモチベーションは、単に放射の色から高炉内の温度を検知したいというものでしたが、19世紀も終わりに近づくと、電磁波がどのように伝達するのか、それが微視的にみればどのような現象に相当するのかという統計力学的な問題に発展しました。熱放射に関する完全な法則が見出されたのは1899年から1900年にかけてのことで、この頃に[[w:マックス・プランク|マックス・プランク]]によって[[w:プランクの法則|プランクの法則]]が発見されています。プランクの法則が発見されて以来、プランクの法則の理論的基礎付けが様々に試みられ、特に電磁場の量子論に関する発展に寄与しました。
 
[[FILE:Wiens law.svg|thumb|300px|各温度における黒体輻射のエネルギー密度の波長ごとのスペクトル]]
プランク以前の状況について、まず、1893年[[w:ヴィルヘルム・ヴィーン|ヴィルヘルム・ヴィーン]]によって'''[[w:ウィーンの変位則|ヴィーンの変位則]]'''が発見されました。ヴィーンは[[w:ボロメータ|ボロメータ]]などを用いて電磁波の放射エネルギーを測定し、黒体からの輻射のピークの波長が温度に反比例するという法則を確かめました。
プランク以前の状況について、まず、1893年[[w:ヴィルヘルム・ヴィーン|ヴィルヘルム・ヴィーン]]によって'''[[w:ウィーンの変位則|ヴィーンの変位則]]'''が発見されました。ヴィーンは測定器に、既に天文学者ラングレーによって熱測定器として実用化していた[[w:ボロメータ|ボロメータ]]などを用いて電磁波の放射エネルギーを測定しました。また、この時代の光の波長測定の方法では、既にローランドなどによって光の波長測定の手段として実用化していたローランド式などの回折格子が、よく用います。そして温度の測定にはヴィーンは熱電対を用いて、測定を行いました。ヴィーンが用いた熱電対の材質は、白金-白金ロジウム合金の熱電対であるといいます。<ref>『20世紀の物理学』、丸善株式会社、編集:「20世紀の物理学」編集委員会、平成11年発行、</ref>
ボロメータとは、金属が温度変化した際の電気抵抗変化を利用して、電気抵抗の変化から温度変化を読みとり、その温度変化から熱エネルギーなどのエネルギーを測定する装置です。
 
ラングレーやヴィーンが用いていた頃のボロメーターでの測温用の金属には、白金が用いられていました。
そして、ボロメーターの精度の向上のため、ホイートストン・ブリッジ回路の中に、この電気抵抗を組み込むことで、精度を得ました。
 
この当時のボロメーターの精度の例として、温度が10<sup>-5</sup>上昇すると、抵抗値の変化率の3×10<sup>-8</sup>を読み取れるという高精度であったと言います。
 
なお、21世紀の現在でも、白金は、電気抵抗式の測温素子として、よく用いられています。また、ホイートストン・ブリッジも、アナログ電気式の測定器で精度を得るための手法として、よく用いられています。さらに、ホイットストーン・ブリッジと測温素子の組み合わせによる温度測定器や放射エネルギー測定器などすらも、現在でもよく用いられています。
 
19世紀の話に戻ると、ヴィーンは測定の結果、黒体からの輻射のピークの波長が温度に反比例するという法則を、実験事実だと(理論だけではなく、数式だけでもなく、実験事実だと)確かめました。
:<math>\lambda_\mathrm{max} = \frac{0.002898}{T} ~\mathrm{[m]}</math>
ここで <math>T</math> は黒体の[[w:ケルビン|ケルビン温度]]の値、<math>\lambda_\mathrm{max}</math> はピーク波長です。