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？

電磁波の振動数とエネルギー 振動数大 振動数小

赤外線

紫外線

X ガ

ン

マ

線 線

可視光線

電 波

マイクロ波

エネルギー大 エネルギー小

光は電磁波

目に見えない光

目に見えない光

目に見える光

3.1 光の仲間

目に見えない光で物を観る？

信号を送る？

1

電流

磁場

電流

磁場

電流

磁場

電場

電流

磁場

電場

電流

磁場

電場 磁場

お互いに直交する磁場と電場の振動は、空間に放出される．

振動が空間を伝わるのでこれは波である．

2

電場

進行方向

波 長

電磁波の発生の仕組み

電場とは

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

プラス同士、マイナス同士は反発し合う

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

磁場とは

磁石のN極とS極は引き付け合う

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

磁力の及ぶ空間を磁場と呼ぶ

引き付け合う（引力）

電場と磁場

反発力（斥力）

3

電磁波の伝播（真空中でも伝わる）、干渉

物質による電磁波の反射、回折、吸収、散乱、屈折

赤外線で物を観る

・自動ドア

・照明用センサー

・監視カメラ

・バーコードリーダー

・リサイクル品の識別（プラスティック類）

赤外線で物を測る

・果物の糖度計

・血糖値測定

・温度を知る（サーモグラフィ）

・血中酸素濃度

赤外線で信号を送る

・TV、空調機のリモコン

・パソコン通信

マイクロ波による送信、受信

・携帯電話 (0.8-2 GHz)

・GPS：カーナビ (1.57 GHz)

・無線LAN (2.4 GHz)

・BS 放送 (12 GHz)

X線による診断

・人体内部の骨、臓器の画像診断

・金属材料内部の欠陥診断

（非破壊検査）

目に見えない光（電磁波）で物を観る、信号を送る

波の特徴を

うまく利用する

4

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

ラジオ

テレビ 携帯電話 スマートフォン

赤外線

紫外線

電 波 マイクロ波

X ガ

ン

マ

線 線

可視光線

電子レンジ 日焼け

紫外線

レントゲン写真 原子爆弾の放射線

カーナビ

リモコン

赤外線

衛星放送 プリンター, コピー機

可視光線 コンピュータ

FM 用

VHF用

UHF用

地上デジタル放送

電磁波＝光の仲間と私たちの暮らし

5

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

光（電磁波)の起源 ・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

・半導体の電子と正孔が再結合するとき生まれる

蛍光灯、ＬＥＤから放射光施設まで 3.2 光を作りだすには？

6

プラズマとは？

+

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

- -

負の電荷を持つ電子

正の電荷を持つイオン（外側の電子を剥ぎ取られた原子）

中性粒子

プラズマ＝電離気体

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．

プラズマ

ガス状態

プラズマはいろいろな所にある

・太陽風（宇宙の99％は

プラズマ）

・電離層

・燃えている炎

・稲妻

・ネオンサイン

・蛍光灯

・プラズマTV

・レーザー発振装置

電気伝導度が高い

電磁界の影響を強く受ける

固体でも、液体でも、気体でもない

7

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

原子や分子の熱運動によって電磁波が発生する

電磁波

氷（固体） 水（液体） 水蒸気（気体）

水分子の運動の程度の違い

低温 高温

原子や分子の熱運動によって電磁波が発生する

エネルギーのやり取り 温度の昇降

8

有限な温度の物質はすべて電磁波を放出している（熱放射）

主に赤外線を放射している

人も動物も赤外線を放射している

地球も大気に赤外線を放射している

刺激の素（エネルギー源）

物 質 （原子、分子の集まり）

エネルギーの一部をもらって励起状態になる

電子や原子核の動きが激しくなる

電子が軌道間を行き来する

興奮状態（エネルギー吸収）

電磁波

荷電粒子

赤外線、 可視光線、紫外線、X線、ガンマ線 など

プラスの電荷をもつ原子 マイナスの電荷を持つ電子中性原子、からなる気体

プラズマ

電子や電荷を持つ原子

電 場（電圧）

導線を通して電子を供給

刺激で興奮すると電磁波が発生する？

9

元の状態・冷静状態

電磁波発生

＋の電荷を持つ原子核

－ の電荷を持つ電子

＋

＋の原子核と－の電子が引き合っている

原子番号によって、存在する電子の数は決まっている

全体では+ と－と釣り合って、電気的に中性である

電子は原子核の周りの軌道を回って入る

軌道は飛び飛びに存在している

軌道半径は原子によって異なる

＋

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移る

興奮した状態（励起状態）は不安定なので、機会があれば興奮前の状態（基底状態）へ戻る

外側の軌道ほどエネルギーが高い

興奮状態から戻る電子は元の状態に比べて余分な電子をもっている

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

冷静な状態の原子

興奮状態の原子

外からの刺激

原子が興奮する？

10

原子核

エネルギーの大きな軌道に乗り移った電子

乗り移る前の電子

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

放出される電磁波

吸収される電磁波

低い位置 エネルギー

落下速度小

ボールの運動エネルギー小

高い位置 エネルギー

落下速度大

ボールの運動エネルギー大

原子核から遠い軌道にいる電子ほどエネルギーが大きい

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

11

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）

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）

46

6:

45

5:

44

4:

43

3

32

36:

21

25:

12

16:

5

9

4102:4340:4861:6563

2

2

2

2

2

2

2

2

水素原子における電子の取りうる軌道

（軌道半径は飛び飛びの値）

バルマー系列

放電管

尐量の水素ガス

電圧

電子 水素原子を興奮（励起）させると

12

n=1

n=3

n=5

n=2

n=4

n=6

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起され、電子が再び低い軌道に落ちるとき、電磁波が放出される．

蛍光：比較的短い時間（10 億分の１秒から10 万分の１秒）で落ちて出てくる光．

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．

蛍光灯の原理

・管内には水銀蒸気が封入されている

・電極から電子が出て水銀蒸気にぶつかる

・水銀蒸気から紫外線が出て蛍光塗料に当たる

・蛍光塗料から可視光が出る

ネオンサインはネオン原子が励起されたときに出る光

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電圧

電子 真空管

可視光線

水銀 蒸気

電子

蛍光塗料

紫外線

可視光線

尐量のネオンガス

ネオン管 蛍光灯

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

太陽風とともに荷電粒子（電子や電離粒子）が地球に飛来する

荷電粒子は地球の磁場に捕らえられ、極地に集まる

高度100 ～400 kmの電離層にある、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に戻る時、光が放射される

＝ オーロラ

酸素原子 白っぽい緑色

窒素原子 赤色 オーロラの光は

ネオン管や雷の稲妻

と同じ原理

太陽風

磁極を帯状に取り囲んだ地域でオーロラが観測される

稲妻の色も酸素や窒素などに特有な色になる

プラ ズマ

地磁気のN極

地磁気のS極

極地に集まる電子

①

②

③

④

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？」

14

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～

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．

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

高温物質の元素は特有の光を放出する

花火の色

15

シリコン結晶の原子配列 規則正しい配列をしている

Si

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）

電子

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

Si

Si Si

Si Si

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

平面的に書き表したシリコン結晶の原子配列と結合の仕方

電子

結合の手が全部ふさがっている

↓

自由に動き回れる電子が無い

銅やアルミニウムには自由に動き回れる電子がある

シリコンには自由に動き回れる電子が無い

金 属

半導体

半導体の主役はシリコン LEDを学ぶ前に

16

不導体（絶縁体）

陶器、ガラス、ゴ

ムなど

導体（金属）

銅、アルミなど

半導体

シリコン、ゲル

マニウムなど

真性半導体 n 形導体 p 形導体

99.999 999 999 ％の高純度シリコンは真性半導体

一番外側の軌道に５個の電子を持つ不純物たとえばリンを純粋なシリコンにいれてやると、５個の電子のうち４個は周りのシリコン原子と結びつくが、１個だけ余る 相手がいなくて、自由に振舞えるので自由電子と呼ばれる

n 形半導体：一人仲間はずれがでる

p 形半導体：一人仲間が足りない

一番外側の軌道に３個の電子を持つ不純物たとえばホウ素を純粋なシリコンにいれてやると、１個だけ電子が足りない．電子１個分の孔があいた状態． この孔は正孔（ホール）と呼ばれる

真性半導体

p 形半導体

半導体とは？

シリコン

B

ホウ素

ホール

P

リン

自由電子

n 形半導体

17

最終的に電子はホールに収まる

太陽光

n 形 p 形

太陽光発電の仕組み

接合面で生まれた自由電子は、安定して存在できる n層へ、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．

光が当たると、新たな自由電子とホールが生まれる．

太陽光

n 形

p 形

pn 接合半導体

n 形半導体

p 形半導体

接合面

自由電子

ホール

自由電子もホールもない接合面

自由電子が安定して存在する層

ホールが安定して存在する層

18

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

接合面

電流

n 形

シリコン

p 形

シリコン

太陽光

接合面

電流 n 形

シリコン

p 形

シリコン

光 電気 電気 光

シリコン太陽電池の原理 LEDの原理

LED: Light Emitting Diode 発光ダイオード

電池 負荷

太陽電池パネル

LED

太陽電池とLEDの原理

発生する光の波長は半導体の種類によって違う

電子と正孔が

再結合すると

き光がでる

19

発熱しない ！

クリスマスのイルミネーション

家庭の照明

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

LEDの応用例

20

発光ダイオードLED

石油の節減:210,000 キロリットル / 年

低熱損失

太陽光を反射しない

(信頼性,安全性)

長寿命

CO2 放出の削減:280,000 トン / 年

日本全国の信号機:180,000個を置き換えると

新しい樹木を 75,000,000本植えることに相当

電力の66 % 節約

信号機のランプを発光ダイオード に置き換えたら？

21

誘導放出による光（レーザー光）は進行方向、波長、位相（山や谷の位置）が揃った光

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

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

ネオン管

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．

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

22

波長は同じでも

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焦点はぼけてしまう

白 色 光

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

白色光

レーザー光

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）

白色光とレーザー光の違い

23

出典 サイエンスシリーズ：

雑誌 ニュートン 「光とは何か？」

誘導放出

すでに励起状態の電子に光（電磁波）を与える

与えられた電磁波とおなじ波長・同じ位相の電磁波を出す

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

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（偏光方向）の光が、入射光と同じ方向に放出される

基底状態 励起状態 元の状態

エネルギーを吸収

自然放出

軌道 電子 レーザー光の原理

24

レーザーの種類

固体レーザー

気体レーザー

半導体レーザー

ダブルヘテロ構造レーザーダイオード

＋

－

+ + + + +

－ － － － －

レーザー出力

p 形半導体

n 形半導体

活性層

電流 金属電極

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

半導体レーザー

23

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

レーザービーム

レーザー美容

・アザ、シミ、ソバカス、

ホクロなどの除去

・脱毛

レーザー光で固い物を加工

非接触加工

ダイヤモンドに穴を開ける

酸化防止窒素ガス

金属の切断/穴あけ加工

レーザー溶接

レーザーによる 光ファイバー通信

レーザー光線の応用例

CD, DVD ドライブの 光ピックアップ

バーコード読み取り 25

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

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．

放射光とは

26

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

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

急減速

電子

急加速

電子

急カーブ

電子

放射光を学ぶ前に 電子の加速度運動による電磁波の発生

27

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）

高圧電源

陰極：フィラメント

陽極：金属 真 空

水 冷

窓

加速電子

X線発生装置（病院のレントゲン装置）

X 線 X線の発生原理

①高速電子の減速による放射 いろいろな波長（連続）

②電子の軌道間移動による放射 波長一定（とびとびの値）

X線の発生

28

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

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

シンクロトロン放射光発生装置

加速された電子

放射光

シンクロトロン放射光の原理

出典：佐賀県鳥栖市放射光施設ホーム頁

29

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

佐賀県鳥栖のSOR光 兵庫県赤穂にある SPring 8

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

＊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

シンクロトロン放射光の

強さ（明るさ）

30

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

電子発生・加速装置 入射電子

加速された電子 シンクロトロン光

ビームライン

この方向に放射される光を利用

出典：佐賀シンクロトロン放射光施設のホーム頁

放射光発生装置の概念図

31

物質から放出される電子の

エネルギーや方向を測定す

ることにより、物質の電子

状態や構造を調べる

物質に含まれる各元素に固有

の蛍光X線のエネルギー・ス

ペクトルを測定・解析して微量

元素分析をおこなう

X線吸収スペクトルの

微細構造から局所的

な原子配置や電子

状態を調べる

材料、生体物質の像を

ミクロン・サブミクロン

サイズの分解能で観察する

放射光による光化学

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

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

医療分野

臓器・組織観察、診断

X線照射によるガン治療

光電子分光

蛍光X線分析 X線吸収微細構造解析

X線イメージング

散乱・回折分析

材料改質

診断・治療

蛍光X

線

物質

材料

吸収

照射効果

化学作用

X線と物質との相互作用

X線描画

材料の

非破壊検査

32

Xの応用