【簡単】フラウンホーファー線とは|太陽の成分の調べ方

【簡単】フラウンホーファー線とは|太陽の成分の調べ方 量子力学

「フラウンホーファー線って何? 太陽の成分ってどうしてわかるの? 原子はなぜ特定の光を吸収するの? スペクトルについて知りたい。 物理学ってなんだか難しそうだな…」

こういった疑問に理学修士(物理学)の筆者が答えます。

結論

フラウンホーファー線とは、連続スペクトルが部分的に黒く抜け落ちた線です。詳細は本記事にて解説します。

本記事の参考文献

本記事の内容

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フラウンホーファー線とは

フラウンホーファー線とは

フラウンホーファー線とは、上写真のように連続スペクトルが部分的に黒く抜け落ちた線です。フラウンホーファー線は、一部の光がなんらかの影響で他の物質に吸収されてることで発生します。フラウンホーファー線を見ることでその光源(例えば太陽や炎色反応の炎など)はどのような特徴を持っているのかがわかるのです。

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連続スペクトルとは

連続スペクトル

連続スペクトルとは上写真のようにある光を虹の色のように分解して並べたスペクトルです。
万有引力で有名なニュートンは太陽の光を、プリズムと呼ばれる光を屈折させる物質を使って、多彩な色に分解できることを証明しました。そこから光は多彩な色の集まりだということがわかったのです。

フラウンホーファー線の歴史

フラウンホーファー線の歴史

1802年にドイツの物理学者、ヨゼフ・フォン・フラウンホーファーは太陽をプリズムで分解すると、黒く抜け落ちた線(フラウンホーファー線)があることに気づきました。19世紀の物理学者は太陽光だけでなく、原子を刺激して放出される光のほとんどにフラウンホーファー線が見られたことを疑問に思っていました。
プロイセン王国(現ロシア)の科学者グスタフ・キルヒホッフとドイツの科学者ロバート・ブンゼンは、炎色反応で発する光をプリズムで分解したところ、元素ごとに特有の輝線があることを発見しました。さらにキルヒホッフは炎色反応の輝線と暗線が同じ波長であったことから、元素は自ら発する光と同じ波長の光を吸収することを発見しました。
ちなみに輝線とは上写真のように炎色反応から発する光をプリズムで分解した時に観測できるスペクトルで、暗線とは別の光を炎色反応を通して分解した時に観測できるスペクトルです。
元素が特定の波長を吸収し放出することから、地球の大気や太陽の成分である元素が太陽の光の一部を吸収していることにより、連続スペクトルに黒く抜け落ちた線(フラウンホーファー線)が発生するのです。キルヒホッフとブンゼンは、太陽光のフラウンホーファー線の正体は酸素、窒素、水素、ヘリウムといった元素だったことから、地球の大気に含まれてい水素やヘリウムが太陽の成分だと結論づけたのです。

なぜ元素は特定の光を放出や吸収するのか

なぜ元素は特定の光を放出や吸収するのか

アインシュタインは光量子仮説という、当時、波だと思われていた光が粒子でもあるという仮説をたて、光電効果と呼ばれる物理現象を上手く説明しました。フランスの物理学者ルイ・ド・ブロイは、逆に粒子だと思われていた電子が波でもあるという「物質波仮説」をたてました。電子が粒子だとすると、地球の周りを回る月のように、その軌道半径は決まっていません(月は半径約36万km~40万kmを行き来します)。しかし電子が粒子ではなく波だとすると回転半径は決まっており、上写真のように飛び飛びの値となるのです(月で例えると半径36万km,38万km,40万km…と決まった飛び飛びの値になります)。なぜ電子が波と考えると軌道半径が飛び飛びの値になるかというと、決まった半径以外の電子の波が原子核の周りを回ると、何周も回っているうちに干渉して消えてしまうからです。
決まった軌道半径しか取れない電子は、光(エネルギー)を吸収すると1つ外側の軌道半径を取ります。そしてしばらくすると、吸収した光と同じ波長(色)の光を放出します。これが元素は特定の光を放出や吸収する理由なのです。

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