SlideShare a Scribd company logo
第3回目   光の仲間とその作り方
                     (担当:友清(1月28日) )

目に見える光、見えない光
         ~ 闇の世界にも光が満ち溢れている?~


3.1 光の仲間、目に見えない光で物を観る? 信号を送る?

3.2 光を作りだすには? 蛍光灯、LEDから放射光施設まで

3.3 レーザー光線はふつうの光線とどこが違うの、何に使われるの?
3.1 光の仲間
目に見えない光で物を観る?
    信号を送る?                    光は電磁波



  振動数小     電磁波の振動数とエネルギー           振動数大

                                   X ガ
     電        マイクロ波   赤
                          可
                          視
                              紫      ン
                      外       外
     波                線
                          光   線      マ
                          線        線線


  エネルギー小                          エネルギー大

             目            目        目
             に            に        に
             見            見        見
             え            え        え
             な            る        な
             い            光        い
             光                     光       1
電磁波の発生の仕組み
 電流              電
                 場

 磁場

  電流                            進行方向

                     波 長
 磁場

 電流
       電場

 磁場

  電流
       電場

 磁場
                 お互いに直交する磁場と電場の振動は、
 電流              空間に放出される.
       電場
            磁場   振動が空間を伝わるのでこれは波である.
 磁場
                                       2
電場と磁場
電場とは
                            磁場とは
プラスの電気を帯びた物体とマイナスの電
気を帯びた物体は引き付け合う              磁石のN極とS極は引き付け合う
プラス同士、マイナス同士は反発し合う          N極同士、S極同士は反発し合う
その力は距離が離れるほど弱くなる            その力は距離が離れるほど弱くなる
電気力の及ぶ空間を電場と呼ぶ              磁力の及ぶ空間を磁場と呼ぶ




                   引き付け合う
                   (引力)



                 反発力(斥力)


                                               3
目に見えない光(電磁波)で物を観る、信号を送る

  電磁波の伝播(真空中でも伝わる)、干渉                      波の特徴を
  物質による電磁波の反射、回折、吸収、散乱、屈折                 うまく利用する



   赤外線で物を観る       赤外線で物を測      赤外線で信号を送る
   ・自動ドア          る
                               ・TV、空調機のリモコン
   ・照明用センサー       ・果物の糖度計
                               ・パソコン通信
   ・監視カメラ         ・血糖値測定

   ・バーコードリーダー     ・温度を知る(サー
                  モグラフィ)
   ・リサイクル品の識別
   (プラスティック類)     ・血中酸素濃度



   マイクロ波による送信、受信              X線による診断
   ・携帯電話 (0.8-2 GHz)          ・人体内部の骨、臓器の画像診断
   ・GPS:カーナビ (1.57 GHz)
                              ・金属材料内部の欠陥診断
   ・無線LAN (2.4 GHz)
                                (非破壊検査)
   ・BS 放送 (12 GHz)
                                                    4
電磁波=光の仲間と私たちの暮らし

       波長[長], 周波数[小]                                                 周波数[大], 波長[短]
                                                3000 GHz   (0.1 mm)

                                                                             X ガ
                                                           赤     可     紫       ン
                   電          波      マイクロ波                 外     視     外       マ
                                                           線     光     線
                                                                 線           線線




          ラジオ                                                                          原子爆弾
                                                                             レントゲン写真
                       テレビ    携帯電話                電子レンジ
                                                                                       の放射線
                                         スマート                         日焼け
                                         フォン                          紫外線

                UHF用

VHF用


 FM 用

                                  カーナビ
        地上デジタル放送       衛星放送                      リモコン          プリンター, コピー機         コンピュータ
                                                 赤外線           可視光線




                                                                                            5
3.2 光を作りだすには?      蛍光灯、LEDから放射光施設まで

            ・光は電子や電気を帯びた粒子が激しく運動する時生まれる
光(電磁波)の起源   ・半導体の電子と正孔が再結合するとき生まれる

① 燃料を燃やして一種のプラズマ(電離気体:電子、正電荷イオン)状態を作
り、そのプラズマを激しくぶつけて原子を励起すると光が出る.
②複数の原子から構成されている分子の中で原子が互いに動く(分子振動)と、
原子の中にある電子もいっしょに動くので光(赤外線)が生まれる.
③水や空気の温度が高くなると、水分子が激しく動き回り、電子もともに動くの
で光が出る.有限の温度(熱)を持つ物体はその温度に応じて様々な波長を持つ
光(赤外線)を発する(熱放射).高温になると物体は赤外線より波長の短い可
視光線もわずかながら放出する.
④アンテナの中で電子が動く(電流が流れる)と低い周波数の電波がでる.
⑤ 電子やX線などで原子を励起して、電子軌道を電子が乗り移ると可視光線やX
線が出る.
⑥半導体における電子 が 正孔と再結合するとき光が放出される.
⑦電子の加速度運動に伴う放射、レントゲン装置、シンクロトロン放射光
                                          6
プラズマとは?

固体でも、液体でも、気体でもない                        プラズマ

                負の電荷を持つ電子                                           中性粒子

                                                +           -

プラズマはいろいろな所                 -
                                    +
                                        -               -       +
にある                                         -
                                                +                   ガス状態
                                -                               +
                                    +               -
・太陽風(宇宙の99%は                        -
                                         +
                                                        +           正の電荷を持つイオ
        プラズマ)                                                       ン(外側の電子を剥
                                                                    ぎ取られた原子)
・電離層                 電気伝導度が高い
                   電磁界の影響を強く受ける
・燃えている炎
・稲妻                         プラズマ=電離気体
・ネオンサイン                     正・負の荷電粒子が共存して、全体では電
                            気的中性となっている状態.
・蛍光灯
・プラズマTV
・レーザー発振装置
                                                                            7
原子や分子の熱運動によって電磁波が発生する

   温度と物質の状態
 温度が高い  物質を構成する原子や分子が激しく運動している

 気温が高い = 大気を構成する酸素、窒素、水蒸気など
           の分子の運動が盛ん
                                     電磁波


  エネルギーのやり取り   温度の昇降



  氷(固体)      水(液体)     水蒸気(気体)

     低温                高温
                                  原子や分子の熱運動によって
          水分子の運動の程度の違い            電磁波が発生する



 有限な温度の物質はすべて電           人も動物も赤外線を放射している
 磁波を放出している(熱放射)
                         地球も大気に赤外線を放射している
 主に赤外線を放射している
                                              8
刺激で興奮すると電磁波が発生する?


 刺激の素(エネルギー源)           興奮状態(エネルギー吸収)


       赤外線、 可視光線、紫外線、
電磁波    X線、ガンマ線 など         物      質
                         (原子、分子の集まり)
荷電粒子   電子や電荷を持つ原子       エネルギーの一部をもらって
                        励起状態になる

       プラスの電荷をもつ原子      電子や原子核の動きが激しく
プラズマ   マイナスの電荷を持つ電子     なる
       中性原子、からなる気体      電子が軌道間を行き来する

電 場    導線を通して電子を供給
(電圧)                                 電磁波発生




                         元の状態・冷静状態

                                             9
原子が興奮する?

           - の電荷
           を持つ電子                  +
                       外からの刺激

     +

           +の電荷を                興奮状態の原子
           持つ原子核

   冷静な状態の原子
                       原子は外から刺激を受けて興奮すると内
                       側の軌道から外側の軌道へと電子が飛び
+の原子核と-の電子が引き合っている     移る
原子番号によって、存在する電子の数は決    興奮した状態(励起状態)は不安定なので、
まっている                  機会があれば興奮前の状態(基底状態)へ
全体では+ と-と釣り合って、電気的に中   戻る
性である                   外側の軌道ほどエネルギーが高い
電子は原子核の周りの軌道を回って入る     興奮状態から戻る電子は元の状態に比べ
軌道は飛び飛びに存在している         て余分な電子をもっている
軌道半径は原子によって異なる         元の軌道に戻った電子は余分なエネル
                       ギーを電磁波のエネルギーとして放出する
                                              10
電子が原子の中で軌道を乗り移ると電磁波(光)が発生する



                                   エネルギーの大きな軌道
                                   に乗り移った電子

           落下速度大
                                      吸収される電磁波
高い位置
エネルギー                       原子核     乗り移る前の電子
                    放出される電磁波
        ボールの運動
        エネルギー大                    エネルギーの小さな軌道
                                  に乗り移った電子
                       乗り移る前の電子
            落下速度小
低い位置
エネルギー

        ボールの運動         原子核から遠い軌道にいる電子
        エネルギー小         ほどエネルギーが大きい



                                                11
水素原子を興奮(励起)させると                          電子
                                                           尐量の
                                                           水素ガス



                                                       電圧

水素原子が放出する光のスペクトル
ライマン系列(紫外線)、バルマー系列(可視光
線)、パッシェン系列(赤外線)                                放電管


バルマーの発見
バルマー系列の波長(単位:nm)
656.3(赤), 486.1(青), 434.0(藍), 410.2(紫)
                                                     n=1

                                                  n=2
  6563 : 4861 : 4340 : 4102                         n=3
    9 16 25 36                                        n=4
   :     :     :                                           n=5
    5 12 21 32                                               n=6
     32       42       52     62
   2      :       :        :            水素原子における電子の取りうる軌道
    3  4 42  4 52  4 6 2  4
                                         (軌道半径は飛び飛びの値)
                                              バルマー系列
                                                                   12
ネオンサインはネオン原子が励起されたときに出る光

              ネオン管                     蛍光灯
                               電子                 紫外線
      電子                 真空管

                                                     蛍光塗料
              尐量のネオンガス                 水銀 蒸気
     電圧

               可視光線                     可視光線

          電子  ネオン原子  可視光線      電子  水銀原子  紫外線 
                                    蛍光物質  可視光線


蛍光と燐光の違いは?
原子に電磁波を当てると電子が上の高い軌道に励         蛍光灯の原理
起され、電子が再び低い軌道に落ちるとき、電磁         ・管内には水銀蒸気が封入されている
波が放出される.
                               ・電極から電子が出て水銀蒸気にぶつかる
蛍光:比較的短い時間(10 億分の1秒から10 万      ・水銀蒸気から紫外線が出て蛍光塗料に当たる
分の1秒)で落ちて出てくる光.                ・蛍光塗料から可視光が出る
燐光:比較的長時間(千分の1から 10 秒)で
ゆっくり落ちて出てくる光.

                                                        13
オーロラ                 太陽風           太陽風とともに荷電粒子(電
                                 ① 子や電離粒子)が地球に飛
                     プラ   ズマ       来する

   磁極を帯状に取り囲                      ② 荷電粒子は地球の磁場に捕
   んだ地域でオーロラ                        らえられ、極地に集まる
   が観測される
                      極地に集
                      まる電子             高度100 ~400 kmの電離層
  地磁気のS極                             ③ にある、酸素原子や窒素原
                                       子が荷電粒子によって励起さ
                                       れる



                                           励起された原子が基底状態
                                       ④   に戻る時、光が放射される
  地磁気のN極                                   = オーロラ
出典 サイエンスシリーズ:
雑誌 ニュートン 「光とは何か?」




                                     酸素原子  白っぽい緑色
オーロラの光は
                                     窒素原子  赤色
ネオン管や雷の稲妻           稲妻の色も酸素や窒素
                    などに特有な色になる
と同じ原理
                                                           14
高温物質の元素は特有の光を放出する



                            花火の色


  金属   ナトリウム       リチウム     カリウム      ストロンチウム       バリウム     銅
 炎の色      黄色         赤         紫        鮮明な赤             緑   青緑


 ~炎色反応~ 金属が溶けた水溶液を白金線につけて炎に入れると、
            金属元素の種類に特有な色で炎が輝く




 放電管   ガラス管に電極と気体ガスを封入して電子を打ち出す
       と、その気体に特有の色の光が放出される
       ---------------------------------- 街のネオンサインはこれ
       を利用
       水素ガスを入れると青紫がかった白っぽい光が出る.

                                                                  15
半導体の主役はシリコン                  LEDを学ぶ前に

    電子                    4本の手を出し合って4
                          個のお隣さんと立体的
                            な結合をする
           Si



   シリコン原子は一個あたり4本
   の結合の手を持っている

 シリコン原子は一番外側の軌道
 に4個の電子を持っている(4価)
                                        シリコン結晶の原子配列
                                        規則正しい配列をしている

                          結合の手が全部
                           ふさがっている
                              ↓               金 属
     Si         Si
                          自由に動き回れる       銅やアルミニウムには自由に
          Si
                            電子が無い        動き回れる電子がある
                     電子
     Si         Si
                                              半導体
                                         シリコンには自由に動き回れる
 平面的に書き表したシリコン結晶                         電子が無い
 の原子配列と結合の仕方

                                                          16
半導体とは?
                                       シリコン

   不導体(絶縁体)     半導体         導体(金属)
   陶器、ガラス、ゴ     シリコン、ゲル     銅、アルミなど
   ムなど          マニウムなど                              真性半導体


                                              リン
   真性半導体         n 形導体       p 形導体

                                                       P
  99.999 999 999 %の高純度シリコ
  ンは真性半導体                                   自由電子


                                                    n 形半導体
n 形半導体:一人仲間はずれ           p 形半導体:一人仲間が足り
がでる                      ない
                                              ホウ素
一番外側の軌道に5個の電子を           一番外側の軌道に3個の電子を
持つ不純物たとえばリンを純粋な          持つ不純物たとえばホウ素を純粋
シリコンにいれてやると、5個の電         なシリコンにいれてやると、1個だ              B
子のうち4個は周りのシリコン原子         け電子が足りない.電子1個分の
と結びつくが、1個だけ余る           孔があいた状態. この孔は正                     ホール
相手がいなくて、自由に振舞える          孔(ホール)と呼ばれる
ので自由電子と呼ばれる
                                                    p 形半導体         17
太陽光発電の仕組み
                                             太陽光

 pn 接合半導体
                  自由電子が安定して                         n形
    自由電子          存在する層
                                                    p形
n 形半導体                                    光が当たると、新たな自由電
 接合面                    自由電子もホール
                        もない接合面            子とホールが生まれる.
p 形半導体
                                         接合面で生まれた自由電子は、
        ホール       ホールが安定して存              安定して存在できる n層へ、
                  在する層                   同時に生まれたホールは、安
                                         定して存在できる p層へ向
                                         かって移動する.

          太陽光


                              光が当たる限り n 層には電子がどんど
   n形                         んたまり、p 層にはホールがたまる.
                              上下の層の間に電圧がかかる.
   p形                         回路をつなぐと、自由電子が外へ流れ
                              だす.
              最終的に電子は
              ホールに収まる


                                                          18
太陽電池とLEDの原理                    LED: Light Emitting Diode
                                発光ダイオード


      シリコン太陽電池の原理             LEDの原理

                    電流
太陽光
                         電流
       n形                              n形
       シリコン                            シリコン         電子と正孔が
              接合面              接合面
                               電池                   再結合すると
       p形                              p形
                    負荷                               き光がでる
       シリコン                            シリコン



                                                  発熱しない !
       光  電気                  電気  光


                                                     発生する光の
                                                     波長は半導体
                                                     の種類によっ
                                                     て違う
                                     LED

         太陽電池パネル                                             19
LEDの応用例



                                    家庭の照明




                                   クリスマスのイルミネーション




レーザー光線の応用
情報機器(パソコンのCD-ROMの読み取り、バーコードリーダー、レザープリンター、CDプレーヤーな
ど)、光ファイバー通信、微細加工、人体表皮組織および体内の手術、レーザーレーダー(航空機・船
舶の監視、雲や雨の観測、環境汚染の観測)、宇宙通信など、ガス分子の検出・識別

                                                    20
信号機のランプを発光ダイオード に置き換えたら?


                             低熱損失
    発光ダイオードLED            太陽光を反射しない
                           (信頼性,安全性)
 電力の66 % 節約                   長寿命


 日本全国の信号機:180,000個を置き換えると


        石油の節減:210,000 キロリットル / 年



        CO2 放出の削減:280,000 トン / 年



      新しい樹木を 75,000,000本植えることに相当
                                       21
3.3 レーザー光線はふつうの光線とどこが違うの、 何に使われる

 レーザー光とは:波のそろった光




                                                       白色光は、波長も、位相
                                                       も振動面もふぞろい

   誘導放出による光(レーザー
   光)は進行方向、波長、位相                                    ネオン管
   (山や谷の位置)が揃った光
                                                     波長は同
                                                     じでも

                                自然放出によって個々の原子から放
                                出される電磁波の位相も振動面もまっ
                                たくばらばらである


       Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
       レーザーとは「誘導放出を利用した光の発振・増幅」と言う
       意味の英語の頭文字 からつくったもの.                                           22
白色光とレーザー光の違い


     白色光
レンズで太陽光を集めても、波長に
よって屈折率がちがうので1点には
集まらない.屈折率の違いによって   白 色 光
焦点はぼけてしまう




  レーザー光
レーザー光は波長も位相もそろっ
ているので、レンズで1点に集める   レーザー光
ことができる
大きなエネルギーを1点に集めるこ
とができる                        出典 サイエンスシリーズ:
                             雑誌 ニュートン 「光とは何か?」


        高集光性   高干渉性   高エネルギー密度
        高指向性(発散しない)                              23
レーザー光の原理                        軌道
                           電子
                   エネルギー
                   を吸収
自然放出:興奮状態の原子が
元の状態に戻る時放出される光        基底状態           励起状態        元の状態

                                 自然放出




 誘導放出:興奮状態の原子に
 光が当たると、入射光と同じ波
 長、同じ位相(山と谷がそろって
 いる)、同じ振動方向(偏光方        すでに励起状態の             与えられた電磁波と
 向)の光が、入射光と同じ方向        電子に光(電磁波)            おなじ波長・同じ位
 に放出される                を与える                 相の電磁波を出す

                                     誘導放出


                                                        24
半導体レーザー            電流             金属電極
                  +
                                    p 形半導体

                      + + + + +      活性層
 レーザーの種類              -----         n 形半導体
 固体レーザー
 気体レーザー
                  -           レーザー出力
 半導体レーザー
                 ダブルヘテロ構造レーザーダイオード




  レーザー光線の応用
  ガス分子の検出・識別
  レーザーレーダー
   (航空機・船舶の監視、雲や雨の観測、環境汚染の観測)

  宇宙通信など
                                             23
レーザー光線の応用例
                 レーザー光で固い物を加工
                 非接触加工

                                    レーザー美容
                                    ・アザ、シミ、ソバカス、

  レーザーによる                            ホクロなどの除去
  光ファイバー通信         ダイヤモンドに穴を開ける     ・脱毛


                         酸化防止
                         窒素ガス     レーザー
                                  ビーム


 CD, DVD ドライブの
 光ピックアップ         金属の切断/穴あけ加工



                                   レーザー光による網膜剥離手術
                                   近視の角膜屈折矯正手術

 バーコード読み取り          レーザー溶接
                                                   25
放射光とは       放射光とは

            高エネルギーの電子などの荷電粒子が磁場で曲げられた
            ときに発生する電磁波(シンクロトロン放射光).
            これには赤外線、可視光線、紫外線、X線がある.
            シンクロトロン放射原理で発生した電磁波を表す呼び名.




        兵庫県播磨にある放射光研究施設 SPring 8      の全景
                  出典:上記施設ホーム頁               26
電子の加速度運動による電磁波の発生                      放射光を学ぶ前に




  荷電粒子が加速度運動や曲線運動をした時電磁波が発生する
  等速度運動している時は電磁波を放出しない
  荷電粒子= + あるいは-の電気を帯びた粒子=電子や原子核




       電子              電子
                                      電子



    急減速           急加速                  急カーブ




   乗っている電車が急に速度をあげたり、急ブレーキがかかって減速した時、
   あるいはカーブを曲がる時、立っている人はつり革につかまっていないと、
   倒れそうになる- - - - - 電子がこのような目にあうと、電磁波が放出される

                                                  27
X線の発生




高速電子の制動(減速)で生ずる連続X線.
                                 特性X線(元素に
                                 固有な波長を持つ)


                     陰極:フィラメント


              加速電子
   X線
                     高             X線の発生原理
                     圧
                     電             ①高速電子の減速による放射
                     源             いろいろな波長(連続)
                  窓
     真 空                           ②電子の軌道間移動による放射
                     陽極:金属
                                   波長一定(とびとびの値)
        水 冷

     X線発生装置(病院のレントゲン装置)
                                                    28
シンクロトロン放射光の原理

     S              S
     N   加速された電子    N



         シンクロトロン放         S
 S
         射光発生装置
 N                        N

     S              S
     N              N
                        放射光


  電子が磁場で進路を曲げられると
  前方へ電磁波が飛び出す  放射光


 出典:佐賀県鳥栖市放射光施設ホーム頁




                              29
シンクロトロン放射光の
   強さ(明るさ)

*病院のレントゲンより何桁も強いX線
*太陽光よりも桁違いに明るい




                         佐賀県鳥栖
 兵庫県赤穂にある SPring 8       のSOR光
  リング直径 500m,一周1.5km
     電磁石数:88個
   ビームライン数:62本
   最高エネルギー:8 GeV


 佐賀県鳥栖市にある施設:
      中規模施設
  リング直径24m,1周 75.6m
   軟X線(10 -1000 eV)~
    X線(2.1 - 23 keV)
  最高エネルギー:1.4 GeV      兵庫県播磨のSP ring8 と佐賀県鳥栖市の
                       放射光の強度プロフィールと光の波長         30
放射光発生装置の概念図
                               ビームライン
  電子発生・加速装置    入射電子            この方向に放射
                               される光を利用

                                         ビームライン
                                         の数だけ同時に
                                         実験、観測が可能


                                      いろいろな目的の
                                     利用が同時に行える




              シンクロトロン光
                         加速された電子



      出典:佐賀シンクロトロン放射光施設のホーム頁
                                                    31
X線と物質との相互作用                     Xの応用
                蛍光X線分析              X線吸収微
            物質に含まれる各元素に固有
                                    細構造解析
            の蛍光X線のエネルギー・ス       X線吸収スペクトルの
            ペクトルを測定・解析して微量      微細構造から局所的
               元素分析をおこなう         な原子配置や電子
                                  状態を調べる              材料の
 光電子分光                                               非破壊検査
                    蛍                    X線イメージング
物質から放出される電子の        光
                                            材料、生体物質の像を




                    X
エネルギーや方向を測定す
 ることにより、物質の電子       線                       ミクロン・サブミクロン
  状態や構造を調べる                                サイズの分解能で観察する
                          吸収
                                                    診断・治療
                     物質
                                    材料改質             医療分野
                             照射効果                 臓器・組織観察、診断
                   材料        化学作用   放射光による光化学
                                                 X線照射によるガン治療
                                    反応、光分解を用いて
                                     材料の改質や新
                                    物質の創製をおこなう

                                                 X線描画
                                    散乱・回折分析
                                物質内の原子配列、電子
                                 密度分布、原子の空間
                                 的、時間的なゆらぎを
                                    しらべる                    32

More Related Content

Featured

2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot
Marius Sescu
 
Everything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPTEverything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPT
Expeed Software
 
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage EngineeringsProduct Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Pixeldarts
 
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
ThinkNow
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
marketingartwork
 
Skeleton Culture Code
Skeleton Culture CodeSkeleton Culture Code
Skeleton Culture Code
Skeleton Technologies
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
Neil Kimberley
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
contently
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
Albert Qian
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Kurio // The Social Media Age(ncy)
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Search Engine Journal
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
SpeakerHub
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next
Tessa Mero
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Lily Ray
 
How to have difficult conversations
How to have difficult conversations How to have difficult conversations
How to have difficult conversations
Rajiv Jayarajah, MAppComm, ACC
 
Introduction to Data Science
Introduction to Data ScienceIntroduction to Data Science
Introduction to Data Science
Christy Abraham Joy
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best Practices
Vit Horky
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project management
MindGenius
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
RachelPearson36
 

Featured (20)

2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot2024 State of Marketing Report – by Hubspot
2024 State of Marketing Report – by Hubspot
 
Everything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPTEverything You Need To Know About ChatGPT
Everything You Need To Know About ChatGPT
 
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage EngineeringsProduct Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
Product Design Trends in 2024 | Teenage Engineerings
 
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental HealthHow Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
How Race, Age and Gender Shape Attitudes Towards Mental Health
 
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdfAI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
AI Trends in Creative Operations 2024 by Artwork Flow.pdf
 
Skeleton Culture Code
Skeleton Culture CodeSkeleton Culture Code
Skeleton Culture Code
 
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
PEPSICO Presentation to CAGNY Conference Feb 2024
 
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
Content Methodology: A Best Practices Report (Webinar)
 
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
How to Prepare For a Successful Job Search for 2024
 
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie InsightsSocial Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
Social Media Marketing Trends 2024 // The Global Indie Insights
 
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
Trends In Paid Search: Navigating The Digital Landscape In 2024
 
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
5 Public speaking tips from TED - Visualized summary
 
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
ChatGPT and the Future of Work - Clark Boyd
 
Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next Getting into the tech field. what next
Getting into the tech field. what next
 
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search IntentGoogle's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
Google's Just Not That Into You: Understanding Core Updates & Search Intent
 
How to have difficult conversations
How to have difficult conversations How to have difficult conversations
How to have difficult conversations
 
Introduction to Data Science
Introduction to Data ScienceIntroduction to Data Science
Introduction to Data Science
 
Time Management & Productivity - Best Practices
Time Management & Productivity -  Best PracticesTime Management & Productivity -  Best Practices
Time Management & Productivity - Best Practices
 
The six step guide to practical project management
The six step guide to practical project managementThe six step guide to practical project management
The six step guide to practical project management
 
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
 

第3回 光の仲間とその作り方

  • 1. 第3回目 光の仲間とその作り方 (担当:友清(1月28日) ) 目に見える光、見えない光 ~ 闇の世界にも光が満ち溢れている?~ 3.1 光の仲間、目に見えない光で物を観る? 信号を送る? 3.2 光を作りだすには? 蛍光灯、LEDから放射光施設まで 3.3 レーザー光線はふつうの光線とどこが違うの、何に使われるの?
  • 2. 3.1 光の仲間 目に見えない光で物を観る? 信号を送る? 光は電磁波 振動数小 電磁波の振動数とエネルギー 振動数大 X ガ 電 マイクロ波 赤 可 視 紫 ン 外 外 波 線 光 線 マ 線 線線 エネルギー小 エネルギー大 目 目 目 に に に 見 見 見 え え え な る な い 光 い 光 光 1
  • 3. 電磁波の発生の仕組み 電流 電 場 磁場 電流 進行方向 波 長 磁場 電流 電場 磁場 電流 電場 磁場 お互いに直交する磁場と電場の振動は、 電流 空間に放出される. 電場 磁場 振動が空間を伝わるのでこれは波である. 磁場 2
  • 4. 電場と磁場 電場とは 磁場とは プラスの電気を帯びた物体とマイナスの電 気を帯びた物体は引き付け合う 磁石のN極とS極は引き付け合う プラス同士、マイナス同士は反発し合う N極同士、S極同士は反発し合う その力は距離が離れるほど弱くなる その力は距離が離れるほど弱くなる 電気力の及ぶ空間を電場と呼ぶ 磁力の及ぶ空間を磁場と呼ぶ 引き付け合う (引力) 反発力(斥力) 3
  • 5. 目に見えない光(電磁波)で物を観る、信号を送る 電磁波の伝播(真空中でも伝わる)、干渉 波の特徴を 物質による電磁波の反射、回折、吸収、散乱、屈折 うまく利用する 赤外線で物を観る 赤外線で物を測 赤外線で信号を送る ・自動ドア る ・TV、空調機のリモコン ・照明用センサー ・果物の糖度計 ・パソコン通信 ・監視カメラ ・血糖値測定 ・バーコードリーダー ・温度を知る(サー モグラフィ) ・リサイクル品の識別 (プラスティック類) ・血中酸素濃度 マイクロ波による送信、受信 X線による診断 ・携帯電話 (0.8-2 GHz) ・人体内部の骨、臓器の画像診断 ・GPS:カーナビ (1.57 GHz) ・金属材料内部の欠陥診断 ・無線LAN (2.4 GHz) (非破壊検査) ・BS 放送 (12 GHz) 4
  • 6. 電磁波=光の仲間と私たちの暮らし 波長[長], 周波数[小] 周波数[大], 波長[短] 3000 GHz (0.1 mm) X ガ 赤 可 紫 ン 電 波 マイクロ波 外 視 外 マ 線 光 線 線 線線 ラジオ 原子爆弾 レントゲン写真 テレビ 携帯電話 電子レンジ の放射線 スマート 日焼け フォン 紫外線 UHF用 VHF用 FM 用 カーナビ 地上デジタル放送 衛星放送 リモコン プリンター, コピー機 コンピュータ 赤外線 可視光線 5
  • 7. 3.2 光を作りだすには? 蛍光灯、LEDから放射光施設まで ・光は電子や電気を帯びた粒子が激しく運動する時生まれる 光(電磁波)の起源 ・半導体の電子と正孔が再結合するとき生まれる ① 燃料を燃やして一種のプラズマ(電離気体:電子、正電荷イオン)状態を作 り、そのプラズマを激しくぶつけて原子を励起すると光が出る. ②複数の原子から構成されている分子の中で原子が互いに動く(分子振動)と、 原子の中にある電子もいっしょに動くので光(赤外線)が生まれる. ③水や空気の温度が高くなると、水分子が激しく動き回り、電子もともに動くの で光が出る.有限の温度(熱)を持つ物体はその温度に応じて様々な波長を持つ 光(赤外線)を発する(熱放射).高温になると物体は赤外線より波長の短い可 視光線もわずかながら放出する. ④アンテナの中で電子が動く(電流が流れる)と低い周波数の電波がでる. ⑤ 電子やX線などで原子を励起して、電子軌道を電子が乗り移ると可視光線やX 線が出る. ⑥半導体における電子 が 正孔と再結合するとき光が放出される. ⑦電子の加速度運動に伴う放射、レントゲン装置、シンクロトロン放射光 6
  • 8. プラズマとは? 固体でも、液体でも、気体でもない プラズマ 負の電荷を持つ電子 中性粒子 + - プラズマはいろいろな所 - + - - + にある - + ガス状態 - + + - ・太陽風(宇宙の99%は - + + 正の電荷を持つイオ プラズマ) ン(外側の電子を剥 ぎ取られた原子) ・電離層 電気伝導度が高い 電磁界の影響を強く受ける ・燃えている炎 ・稲妻 プラズマ=電離気体 ・ネオンサイン 正・負の荷電粒子が共存して、全体では電 気的中性となっている状態. ・蛍光灯 ・プラズマTV ・レーザー発振装置 7
  • 9. 原子や分子の熱運動によって電磁波が発生する 温度と物質の状態 温度が高い  物質を構成する原子や分子が激しく運動している 気温が高い = 大気を構成する酸素、窒素、水蒸気など の分子の運動が盛ん 電磁波 エネルギーのやり取り   温度の昇降 氷(固体) 水(液体) 水蒸気(気体) 低温 高温 原子や分子の熱運動によって 水分子の運動の程度の違い 電磁波が発生する 有限な温度の物質はすべて電 人も動物も赤外線を放射している 磁波を放出している(熱放射) 地球も大気に赤外線を放射している 主に赤外線を放射している 8
  • 10. 刺激で興奮すると電磁波が発生する? 刺激の素(エネルギー源) 興奮状態(エネルギー吸収) 赤外線、 可視光線、紫外線、 電磁波 X線、ガンマ線 など 物 質 (原子、分子の集まり) 荷電粒子 電子や電荷を持つ原子 エネルギーの一部をもらって 励起状態になる プラスの電荷をもつ原子 電子や原子核の動きが激しく プラズマ マイナスの電荷を持つ電子 なる 中性原子、からなる気体 電子が軌道間を行き来する 電 場 導線を通して電子を供給 (電圧) 電磁波発生 元の状態・冷静状態 9
  • 11. 原子が興奮する? - の電荷 を持つ電子 + 外からの刺激 + +の電荷を 興奮状態の原子 持つ原子核 冷静な状態の原子 原子は外から刺激を受けて興奮すると内 側の軌道から外側の軌道へと電子が飛び +の原子核と-の電子が引き合っている 移る 原子番号によって、存在する電子の数は決 興奮した状態(励起状態)は不安定なので、 まっている 機会があれば興奮前の状態(基底状態)へ 全体では+ と-と釣り合って、電気的に中 戻る 性である 外側の軌道ほどエネルギーが高い 電子は原子核の周りの軌道を回って入る 興奮状態から戻る電子は元の状態に比べ 軌道は飛び飛びに存在している て余分な電子をもっている 軌道半径は原子によって異なる 元の軌道に戻った電子は余分なエネル ギーを電磁波のエネルギーとして放出する 10
  • 12. 電子が原子の中で軌道を乗り移ると電磁波(光)が発生する エネルギーの大きな軌道 に乗り移った電子 落下速度大 吸収される電磁波 高い位置 エネルギー 原子核 乗り移る前の電子 放出される電磁波 ボールの運動 エネルギー大 エネルギーの小さな軌道 に乗り移った電子 乗り移る前の電子 落下速度小 低い位置 エネルギー ボールの運動 原子核から遠い軌道にいる電子 エネルギー小 ほどエネルギーが大きい 11
  • 13. 水素原子を興奮(励起)させると 電子 尐量の 水素ガス 電圧 水素原子が放出する光のスペクトル ライマン系列(紫外線)、バルマー系列(可視光 線)、パッシェン系列(赤外線) 放電管 バルマーの発見 バルマー系列の波長(単位:nm) 656.3(赤), 486.1(青), 434.0(藍), 410.2(紫) n=1 n=2 6563 : 4861 : 4340 : 4102 n=3 9 16 25 36 n=4  : : : n=5 5 12 21 32 n=6 32 42 52 62  2 : : : 水素原子における電子の取りうる軌道 3  4 42  4 52  4 6 2  4 (軌道半径は飛び飛びの値) バルマー系列 12
  • 14. ネオンサインはネオン原子が励起されたときに出る光 ネオン管 蛍光灯 電子 紫外線 電子 真空管 蛍光塗料 尐量のネオンガス 水銀 蒸気 電圧 可視光線 可視光線 電子  ネオン原子  可視光線 電子  水銀原子  紫外線  蛍光物質  可視光線 蛍光と燐光の違いは? 原子に電磁波を当てると電子が上の高い軌道に励 蛍光灯の原理 起され、電子が再び低い軌道に落ちるとき、電磁 ・管内には水銀蒸気が封入されている 波が放出される. ・電極から電子が出て水銀蒸気にぶつかる 蛍光:比較的短い時間(10 億分の1秒から10 万 ・水銀蒸気から紫外線が出て蛍光塗料に当たる 分の1秒)で落ちて出てくる光. ・蛍光塗料から可視光が出る 燐光:比較的長時間(千分の1から 10 秒)で ゆっくり落ちて出てくる光. 13
  • 15. オーロラ 太陽風 太陽風とともに荷電粒子(電 ① 子や電離粒子)が地球に飛 プラ ズマ 来する 磁極を帯状に取り囲 ② 荷電粒子は地球の磁場に捕 んだ地域でオーロラ らえられ、極地に集まる が観測される 極地に集 まる電子 高度100 ~400 kmの電離層 地磁気のS極 ③ にある、酸素原子や窒素原 子が荷電粒子によって励起さ れる 励起された原子が基底状態 ④ に戻る時、光が放射される 地磁気のN極 = オーロラ 出典 サイエンスシリーズ: 雑誌 ニュートン 「光とは何か?」 酸素原子  白っぽい緑色 オーロラの光は 窒素原子  赤色 ネオン管や雷の稲妻 稲妻の色も酸素や窒素 などに特有な色になる と同じ原理 14
  • 16. 高温物質の元素は特有の光を放出する 花火の色 金属 ナトリウム リチウム カリウム ストロンチウム バリウム 銅 炎の色 黄色 赤 紫 鮮明な赤 緑 青緑 ~炎色反応~ 金属が溶けた水溶液を白金線につけて炎に入れると、 金属元素の種類に特有な色で炎が輝く 放電管 ガラス管に電極と気体ガスを封入して電子を打ち出す と、その気体に特有の色の光が放出される ---------------------------------- 街のネオンサインはこれ を利用 水素ガスを入れると青紫がかった白っぽい光が出る. 15
  • 17. 半導体の主役はシリコン LEDを学ぶ前に 電子 4本の手を出し合って4 個のお隣さんと立体的 な結合をする Si シリコン原子は一個あたり4本 の結合の手を持っている シリコン原子は一番外側の軌道 に4個の電子を持っている(4価) シリコン結晶の原子配列 規則正しい配列をしている 結合の手が全部 ふさがっている ↓ 金 属 Si Si 自由に動き回れる 銅やアルミニウムには自由に Si 電子が無い 動き回れる電子がある 電子 Si Si 半導体 シリコンには自由に動き回れる 平面的に書き表したシリコン結晶 電子が無い の原子配列と結合の仕方 16
  • 18. 半導体とは? シリコン 不導体(絶縁体) 半導体 導体(金属) 陶器、ガラス、ゴ シリコン、ゲル 銅、アルミなど ムなど マニウムなど 真性半導体 リン 真性半導体 n 形導体 p 形導体 P 99.999 999 999 %の高純度シリコ ンは真性半導体 自由電子 n 形半導体 n 形半導体:一人仲間はずれ p 形半導体:一人仲間が足り がでる ない ホウ素 一番外側の軌道に5個の電子を 一番外側の軌道に3個の電子を 持つ不純物たとえばリンを純粋な 持つ不純物たとえばホウ素を純粋 シリコンにいれてやると、5個の電 なシリコンにいれてやると、1個だ B 子のうち4個は周りのシリコン原子 け電子が足りない.電子1個分の と結びつくが、1個だけ余る  孔があいた状態. この孔は正 ホール 相手がいなくて、自由に振舞える 孔(ホール)と呼ばれる ので自由電子と呼ばれる p 形半導体 17
  • 19. 太陽光発電の仕組み 太陽光 pn 接合半導体 自由電子が安定して n形 自由電子 存在する層 p形 n 形半導体 光が当たると、新たな自由電 接合面 自由電子もホール もない接合面 子とホールが生まれる. p 形半導体 接合面で生まれた自由電子は、 ホール ホールが安定して存 安定して存在できる n層へ、 在する層 同時に生まれたホールは、安 定して存在できる p層へ向 かって移動する. 太陽光 光が当たる限り n 層には電子がどんど n形 んたまり、p 層にはホールがたまる. 上下の層の間に電圧がかかる. p形 回路をつなぐと、自由電子が外へ流れ だす. 最終的に電子は ホールに収まる 18
  • 20. 太陽電池とLEDの原理 LED: Light Emitting Diode 発光ダイオード シリコン太陽電池の原理 LEDの原理 電流 太陽光 電流 n形 n形 シリコン シリコン 電子と正孔が 接合面 接合面 電池 再結合すると p形 p形 負荷 き光がでる シリコン シリコン 発熱しない ! 光  電気 電気  光 発生する光の 波長は半導体 の種類によっ て違う LED 太陽電池パネル 19
  • 21. LEDの応用例 家庭の照明 クリスマスのイルミネーション レーザー光線の応用 情報機器(パソコンのCD-ROMの読み取り、バーコードリーダー、レザープリンター、CDプレーヤーな ど)、光ファイバー通信、微細加工、人体表皮組織および体内の手術、レーザーレーダー(航空機・船 舶の監視、雲や雨の観測、環境汚染の観測)、宇宙通信など、ガス分子の検出・識別 20
  • 22. 信号機のランプを発光ダイオード に置き換えたら? 低熱損失 発光ダイオードLED 太陽光を反射しない (信頼性,安全性) 電力の66 % 節約 長寿命 日本全国の信号機:180,000個を置き換えると 石油の節減:210,000 キロリットル / 年 CO2 放出の削減:280,000 トン / 年 新しい樹木を 75,000,000本植えることに相当 21
  • 23. 3.3 レーザー光線はふつうの光線とどこが違うの、 何に使われる レーザー光とは:波のそろった光 白色光は、波長も、位相 も振動面もふぞろい 誘導放出による光(レーザー 光)は進行方向、波長、位相 ネオン管 (山や谷の位置)が揃った光 波長は同 じでも 自然放出によって個々の原子から放 出される電磁波の位相も振動面もまっ たくばらばらである Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation レーザーとは「誘導放出を利用した光の発振・増幅」と言う 意味の英語の頭文字 からつくったもの. 22
  • 24. 白色光とレーザー光の違い 白色光 レンズで太陽光を集めても、波長に よって屈折率がちがうので1点には 集まらない.屈折率の違いによって 白 色 光 焦点はぼけてしまう レーザー光 レーザー光は波長も位相もそろっ ているので、レンズで1点に集める レーザー光 ことができる 大きなエネルギーを1点に集めるこ とができる 出典 サイエンスシリーズ: 雑誌 ニュートン 「光とは何か?」 高集光性 高干渉性 高エネルギー密度 高指向性(発散しない) 23
  • 25. レーザー光の原理 軌道 電子 エネルギー を吸収 自然放出:興奮状態の原子が 元の状態に戻る時放出される光 基底状態 励起状態 元の状態 自然放出 誘導放出:興奮状態の原子に 光が当たると、入射光と同じ波 長、同じ位相(山と谷がそろって いる)、同じ振動方向(偏光方 すでに励起状態の 与えられた電磁波と 向)の光が、入射光と同じ方向 電子に光(電磁波) おなじ波長・同じ位 に放出される を与える 相の電磁波を出す 誘導放出 24
  • 26. 半導体レーザー 電流 金属電極 + p 形半導体 + + + + + 活性層 レーザーの種類 ----- n 形半導体 固体レーザー 気体レーザー - レーザー出力 半導体レーザー ダブルヘテロ構造レーザーダイオード レーザー光線の応用 ガス分子の検出・識別 レーザーレーダー (航空機・船舶の監視、雲や雨の観測、環境汚染の観測) 宇宙通信など 23
  • 27. レーザー光線の応用例 レーザー光で固い物を加工 非接触加工 レーザー美容 ・アザ、シミ、ソバカス、 レーザーによる ホクロなどの除去 光ファイバー通信 ダイヤモンドに穴を開ける ・脱毛 酸化防止 窒素ガス レーザー ビーム CD, DVD ドライブの 光ピックアップ 金属の切断/穴あけ加工 レーザー光による網膜剥離手術 近視の角膜屈折矯正手術 バーコード読み取り レーザー溶接 25
  • 28. 放射光とは 放射光とは 高エネルギーの電子などの荷電粒子が磁場で曲げられた ときに発生する電磁波(シンクロトロン放射光). これには赤外線、可視光線、紫外線、X線がある. シンクロトロン放射原理で発生した電磁波を表す呼び名. 兵庫県播磨にある放射光研究施設 SPring 8 の全景 出典:上記施設ホーム頁 26
  • 29. 電子の加速度運動による電磁波の発生 放射光を学ぶ前に 荷電粒子が加速度運動や曲線運動をした時電磁波が発生する 等速度運動している時は電磁波を放出しない 荷電粒子= + あるいは-の電気を帯びた粒子=電子や原子核 電子 電子 電子 急減速 急加速 急カーブ 乗っている電車が急に速度をあげたり、急ブレーキがかかって減速した時、 あるいはカーブを曲がる時、立っている人はつり革につかまっていないと、 倒れそうになる- - - - - 電子がこのような目にあうと、電磁波が放出される 27
  • 30. X線の発生 高速電子の制動(減速)で生ずる連続X線. 特性X線(元素に 固有な波長を持つ) 陰極:フィラメント 加速電子 X線 高 X線の発生原理 圧 電 ①高速電子の減速による放射 源 いろいろな波長(連続) 窓 真 空 ②電子の軌道間移動による放射 陽極:金属 波長一定(とびとびの値) 水 冷 X線発生装置(病院のレントゲン装置) 28
  • 31. シンクロトロン放射光の原理 S S N 加速された電子 N シンクロトロン放 S S 射光発生装置 N N S S N N 放射光 電子が磁場で進路を曲げられると 前方へ電磁波が飛び出す  放射光 出典:佐賀県鳥栖市放射光施設ホーム頁 29
  • 32. シンクロトロン放射光の 強さ(明るさ) *病院のレントゲンより何桁も強いX線 *太陽光よりも桁違いに明るい 佐賀県鳥栖 兵庫県赤穂にある SPring 8 のSOR光 リング直径 500m,一周1.5km 電磁石数:88個 ビームライン数:62本 最高エネルギー:8 GeV 佐賀県鳥栖市にある施設: 中規模施設 リング直径24m,1周 75.6m 軟X線(10 -1000 eV)~ X線(2.1 - 23 keV) 最高エネルギー:1.4 GeV 兵庫県播磨のSP ring8 と佐賀県鳥栖市の 放射光の強度プロフィールと光の波長 30
  • 33. 放射光発生装置の概念図 ビームライン 電子発生・加速装置 入射電子 この方向に放射 される光を利用 ビームライン の数だけ同時に 実験、観測が可能 いろいろな目的の 利用が同時に行える シンクロトロン光 加速された電子 出典:佐賀シンクロトロン放射光施設のホーム頁 31
  • 34. X線と物質との相互作用 Xの応用 蛍光X線分析 X線吸収微 物質に含まれる各元素に固有 細構造解析 の蛍光X線のエネルギー・ス X線吸収スペクトルの ペクトルを測定・解析して微量 微細構造から局所的 元素分析をおこなう な原子配置や電子 状態を調べる 材料の 光電子分光 非破壊検査 蛍 X線イメージング 物質から放出される電子の 光 材料、生体物質の像を X エネルギーや方向を測定す ることにより、物質の電子 線 ミクロン・サブミクロン 状態や構造を調べる サイズの分解能で観察する 吸収 診断・治療 物質 材料改質 医療分野 照射効果 臓器・組織観察、診断 材料 化学作用 放射光による光化学 X線照射によるガン治療 反応、光分解を用いて 材料の改質や新 物質の創製をおこなう X線描画 散乱・回折分析 物質内の原子配列、電子 密度分布、原子の空間 的、時間的なゆらぎを しらべる 32