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第5章放射とスペクトルRadiation and Spectra

Key Concepts and Summary重要事項のまとめ

If an atom is moving toward us when an electron changes orbits and produces a spectral line, we see that line shifted slightly toward the blue of its normal wavelength in a spectrum. If the atom is moving away, we see the line shifted toward the red. This shift is known as the Doppler effect and can be used to measure the radial velocities of distant objects.

英語のヒント

電子が軌道を変えてスペクトル線を作るとき、その原子がこちらへ動いていれば、線は、通常の波長から少し青い側へずれて見える。原子が遠ざかっていれば、赤い側へずれて見える。このずれをドップラー効果と呼び、遠い天体の視線速度を測るために使える。

For Further Explorationさらに探究するために

Articles記事

Augensen, H. & Woodbury, J. “The Electromagnetic Spectrum.” Astronomy (June 1982): 6.

Augensen, H. & Woodbury, J. “The Electromagnetic Spectrum.” Astronomy（1982年6月号）, p. 6。

Darling, D. “Spectral Visions: The Long Wavelengths.” Astronomy (August 1984): 16; “The Short Wavelengths.” Astronomy (September 1984): 14.

Darling, D. “Spectral Visions: The Long Wavelengths.” Astronomy（1984年8月号）, p. 16；“The Short Wavelengths.” Astronomy（1984年9月号）, p. 14。

Gingerich, O. “Unlocking the Chemical Secrets of the Cosmos.” Sky & Telescope (July 1981): 13.

Gingerich, O. “Unlocking the Chemical Secrets of the Cosmos.” Sky & Telescope（1981年7月号）, p. 13。

Shubinski, R. “How to Read Rainbows.” Astronomy (November 2024): 24.

Shubinski, R. “How to Read Rainbows.” Astronomy（2024年11月号）, p. 24。

Stencil, R. et al. “Astronomical Spectroscopy.” Astronomy (June 1978): 6.

Stencil, R. ほか。“Astronomical Spectroscopy.” Astronomy（1978年6月号）, p. 6。

Websitesウェブサイト

Doppler Effect: http://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect. A shaking bug and the Doppler Effect explained.

Doppler Effect：http://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect。振動する虫のたとえを使い、ドップラー効果を説明する。

Electromagnetic Spectrum: http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html. An introduction to the electromagnetic spectrum from NASA’s Imagine the Universe; note that you can click the “Advanced” button near the top and get a more detailed discussion.

Electromagnetic Spectrum：http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html。NASAのImagine the Universeによる電磁スペクトルの入門。上部付近の「Advanced」ボタンをクリックすると、さらに詳しい説明を読める。

Laws of Radiation: https://www.e-education.psu.edu/meteo3/l2_p3.html. A nice discussion from a program at Penn State.

Laws of Radiation：https://www.e-education.psu.edu/meteo3/l2_p3.html。ペンシルベニア州立大学の講座による、わかりやすい説明。

NASA’s Tour of the Electromagnetic Spectrum: https://science.nasa.gov/ems/01_intro. Provides pages on each band.

NASA’s Tour of the Electromagnetic Spectrum：https://science.nasa.gov/ems/01_intro。各波長域のページが用意されている。

Niels Bohr Page at Nobel Prizes: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1922/bohr/facts/. Use the menu at left to learn more about him, read his Nobel lecture, etc.

Niels Bohr Page at Nobel Prizes：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1922/bohr/facts/。左のメニューからボーアについて詳しく調べたり、ノーベル賞受賞講演を読んだりできる。

Rainbows: How They Form and How to See Them: http://www.livescience.com/30235-rainbows-formation-explainer.html. By meteorologist and amateur astronomer Joe Rao.

Rainbows: How They Form and How to See Them：http://www.livescience.com/30235-rainbows-formation-explainer.html。気象学者でアマチュア天文学者のジョー・ラオによる記事。

Spectroscopy 101: https://webbtelescope.org/contents/articles/spectroscopy-101--types-of-spectra-and-spectroscopy. An introduction to the different types of spectra and what astronomers learn from them, from the Webb Telescope staff.

Spectroscopy 101：https://webbtelescope.org/contents/articles/spectroscopy-101--types-of-spectra-and-spectroscopy。ウェッブ望遠鏡のスタッフによる、さまざまなスペクトルの種類と、それらから天文学者が学ぶことの入門。

Videos動画

NASA has a series of useful short videos, called “Tours of the Electro-magnetic Spectrum,” which focus on one band of the spectrum each, looking at both its terrestrial and astronomical aspects:

NASAには、「Tours of the Electro-magnetic Spectrum」という便利な短い動画のシリーズがある。各動画がスペクトルの一つの波長域を取り上げ、地球上と天文学の両方の側面から見ている。

  1. Introduction and Overview (5:03): https://www.youtube.com/watch?v=lwfJPc-rSXw.

    Introduction and Overview（導入と概観、5分3秒）：https://www.youtube.com/watch?v=lwfJPc-rSXw。

  2. Radio Waves (3:38): https://www.youtube.com/watch?v=OzDmEA8x0nQ.

    Radio Waves（電波、3分38秒）：https://www.youtube.com/watch?v=OzDmEA8x0nQ。

  3. Microwaves (3:03): https://www.youtube.com/watch?v=UZeBzTI5Omk.

    Microwaves（マイクロ波、3分3秒）：https://www.youtube.com/watch?v=UZeBzTI5Omk。

  4. Infrared (5:22): https://www.youtube.com/watch?v=i8caGm9Fmh0.

    Infrared（赤外線、5分22秒）：https://www.youtube.com/watch?v=i8caGm9Fmh0。

  5. Visible Light (4:49): https://www.youtube.com/watch?v=PMtC34pzKGc.

    Visible Light（可視光、4分49秒）：https://www.youtube.com/watch?v=PMtC34pzKGc。

  6. Ultraviolet Waves (3:40): https://www.youtube.com/watch?v=QW5zeVy8aE0.

    Ultraviolet Waves（紫外線、3分40秒）：https://www.youtube.com/watch?v=QW5zeVy8aE0。

  7. X-rays (2:49): https://www.youtube.com/watch?v=CCAYcuCWOnM.

    X-rays（X線、2分49秒）：https://www.youtube.com/watch?v=CCAYcuCWOnM。

  8. Gamma-rays (3:41): https://www.youtube.com/watch?v=TA5SLDiIUWs.

    Gamma-rays（ガンマ線、3分41秒）：https://www.youtube.com/watch?v=TA5SLDiIUWs。

Blackbody Radiation: https://www.youtube.com/watch?v=_0tkbp8yk-w. A student-made video from the University of Nebraska, with useful discussion and demonstrations about the properties of blackbodies and spectra (4:38).

Blackbody Radiation：https://www.youtube.com/watch?v=_0tkbp8yk-w。ネブラスカ大学の学生制作の動画。黒体とスペクトルの性質について、役立つ説明と実演がある（4分38秒）。

Doppler Effect: http://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect. Explained using the analogy of a shaking bug (5:08).

Doppler Effect：http://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect。振動する虫のたとえを使った説明（5分8秒）。

Infrared: More Than Your Eyes Can See: https://www.youtube.com/watch?v=v4J56lnl1UE. A lively introduction, with astronomer Michelle Thaller, to infrared radiation and its applications on Earth and in astronomy (6:45).

Infrared: More Than Your Eyes Can See：https://www.youtube.com/watch?v=v4J56lnl1UE。天文学者ミシェル・サラーによる、赤外線と、地球上および天文学での応用についての生き生きした入門（6分45秒）。

Seeing the Invisible: https://www.youtube.com/watch?v=9w_hJwX6zZA. An introduction to the non-visible bands of the electro-magnetic spectrum, to the telescopes that allow us to detect them, and what objects are prominent (HubbleCast episode 23) (9:23).

Seeing the Invisible：https://www.youtube.com/watch?v=9w_hJwX6zZA。電磁スペクトルの目に見えない波長域、それを検出する望遠鏡、そしてそこで目立つ天体の入門。HubbleCast第23回（9分23秒）。

The Electromagnetic Spectrum: https://www.youtube.com/watch?v=5GIvktBSxvw. Introduction to the bands of the spectrum, the telescopes that let us observe them, and what celestial phenomena we can see in each band (5:28).

The Electromagnetic Spectrum：https://www.youtube.com/watch?v=5GIvktBSxvw。スペクトルの各波長域、それを観測する望遠鏡、各域で見える天体現象の入門（5分28秒）。

The Electromagnetic Spectrum: https://www.youtube.com/watch?v=m7c4-EO7ECE. An introduction to the different bands of the spectrum in connection with the Sun; from PBS (2:55).

The Electromagnetic Spectrum：https://www.youtube.com/watch?v=m7c4-EO7ECE。太陽と関連づけて、スペクトルの各波長域を紹介するPBSの動画（2分55秒）。

Unweaving the Rainbow: https://www.youtube.com/watch?v=Qy8qlsVvVTc. An explanation of how astronomers use spectra, particularly with the Hubble Space Telescope, but also in general (6:13).

Unweaving the Rainbow：https://www.youtube.com/watch?v=Qy8qlsVvVTc。天文学者がスペクトルをどう利用するかを、特にハッブル宇宙望遠鏡の場合と、さらに一般の場合について解説する（6分13秒）。

Introductions to Quantum Mechanics量子力学の入門書

Ford, Kenneth. The Quantum World. 2004. A well-written recent introduction by a physicist/educator.

Ford, Kenneth. The Quantum World（2004年）。物理学者・教育者による、文章の優れた近年の入門書。

Gribbin, John. In Search of Schroedinger’s Cat. 1984. Clear, very basic introduction to the fundamental ideas of quantum mechanics, by a British physicist and science writer.

Gribbin, John. In Search of Schroedinger’s Cat（1984年）。イギリスの物理学者・サイエンスライターによる、量子力学の基本的な考え方の、明快でごく基礎的な入門。

Rae, Alastair. Quantum Physics: A Beginner’s Guide. 2005. Widely praised introduction by a British physicist.

Rae, Alastair. Quantum Physics: A Beginner’s Guide（2005年）。イギリスの物理学者による、広く高く評価されている入門書。

Collaborative Group Activitiesグループで取り組もう

  1. Have your group make a list of all the electromagnetic wave technology you use during a typical day.

    普段の1日に使う、電磁波を利用した技術を、グループですべて挙げてみよう。

  2. How many applications of the Doppler effect can your group think of in everyday life? For example, why would the highway patrol find it useful?

    英語のヒント

    日常にあるドップラー効果の応用を、グループではいくつ思いつくだろうか。たとえば高速道路交通警察には、なぜ役立つのだろうか。

  3. Have members of your group go home and “read” the face of your radio set and then compare notes. If you do not have a radio, research “broadcast radio frequencies” to find answers to the following questions. What do all the words and symbols mean? What frequencies can your radio tune to? What is the frequency of your favorite radio station? What is its wavelength?

    英語のヒント

    グループのメンバーは、家に帰ってラジオの前面の表示を「読み」、そのあと結果を持ち寄ろう。ラジオがなければ、「放送用ラジオの周波数」を調べ、次の問いに答えよう。書かれた言葉や記号は、それぞれ何を意味するか。ラジオはどの周波数に合わせられるか。好きな放送局の周波数はいくらか。その波長はいくらか。

  4. If your instructor were to give you a spectrometer, what kind of spectra does your group think you would see from each of the following: (1) a household lightbulb, (2) the Sun, (3) the “neon lights of Broadway,” (4) an ordinary household flashlight, and (5) a streetlight on a busy shopping street?

    英語のヒント

    先生から分光計を渡されたら、次のものからは、それぞれどんなスペクトルが見えるとグループでは考えるだろうか。(1)家庭用の電球、(2)太陽、(3)「ブロードウェイのネオンサイン」、(4)普通の家庭用懐中電灯、(5)にぎわう商店街の街灯。

  5. Suppose astronomers want to send a message to an alien civilization that is living on a planet with an atmosphere very similar to that of Earth’s. This message must travel through space, make it through the other planet’s atmosphere, and be noticeable to the residents of that planet. Have your group discuss what band of the electromagnetic spectrum might be best for this message and why. (Some people, including noted physicist Stephen Hawking, have warned scientists not to send such messages and reveal the presence of our civilization to a possible hostile cosmos. Do you agree with this concern?)

    英語のヒント

    天文学者が、地球と非常によく似た大気を持つ惑星に住む、異星の文明へメッセージを送りたいとしよう。メッセージは宇宙を進み、相手の惑星の大気を通り抜け、その惑星の住民に気づいてもらえるものでなければならない。どの電磁スペクトルの波長域が最適と思うか、その理由とともにグループで話し合おう。著名な物理学者スティーヴン・ホーキングを含む一部の人たちは、敵対的かもしれない宇宙に私たちの文明の存在を明かすことになるとして、このようなメッセージを送らないよう科学者に警告した。この懸念に賛成するだろうか。

Review Questions復習問題

What distinguishes one type of electromagnetic radiation from another? What are the main categories (or bands) of the electromagnetic spectrum?

英語のヒント

電磁放射の種類を区別するものは何か。電磁スペクトルの主な区分、すなわち波長域には、どんなものがあるか。

What is a wave? Use the terms wavelength and frequency in your definition.

波とは何か。波長と振動数という用語を使って定義しよう。

Is your textbook the kind of idealized object (described in section on radiation laws) that absorbs all the radiation falling on it? Explain. How about the black sweater worn by one of your classmates?

英語のヒント

皆さんの教科書は、放射の法則の節で説明した、入射する放射をすべて吸収する理想化した物体だろうか。説明しよう。クラスメートの一人が着ている黒いセーターは、どうだろうか。

Where in an atom would you expect to find electrons? Protons? Neutrons?

原子の中のどこに電子があると考えられるか。陽子はどうか。中性子はどうか。

Explain how emission lines and absorption lines are formed. In what sorts of cosmic objects would you expect to see each?

輝線と吸収線はどのようにできるかを説明しよう。それぞれ、どのような天体で見られると考えられるか。

Explain how the Doppler effect works for sound waves and give some familiar examples.

音波に対してドップラー効果がどう働くかを説明し、身近な例をいくつか挙げよう。

What kind of motion for a star does not produce a Doppler effect? Explain.

恒星のどのような運動は、ドップラー効果を生じさせないか。説明しよう。

Describe how Bohr’s model used the work of Maxwell.

ボーアのモデルが、マクスウェルの研究をどう用いたかを説明しよう。

Explain why light is referred to as electromagnetic radiation.

光がなぜ電磁放射と呼ばれるかを説明しよう。

Explain the difference between radiation as it is used in most everyday language and radiation as it is used in an astronomical context.

英語のヒント

日常の言葉の多くで使うradiationと、天文学の文脈で使うradiationの違いを説明しよう。

What are the differences between light waves and sound waves?

光の波と音の波には、どんな違いがあるか。

Which type of wave has a longer wavelength: AM radio waves (with frequencies in the kilohertz range) or FM radio waves (with frequencies in the megahertz range)? Explain.

キロヘルツ域の周波数を持つAMラジオの電波と、メガヘルツ域の周波数を持つFMラジオの電波では、どちらの波長が長いか。説明しよう。

Explain why astronomers long ago believed that space must be filled with some kind of substance (the “aether”) instead of the vacuum we know it is today.

英語のヒント

昔の天文学者が、宇宙空間は、現在知られているような真空ではなく、「エーテル」という何らかの物質で満たされているはずだと考えた理由を説明しよう。

Explain what the ionosphere is and how it interacts with some radio waves.

電離圏とは何か、また、ある種の電波とどう相互作用するかを説明しよう。

Which is more dangerous to living things, gamma rays or X-rays? Explain.

ガンマ線とX線では、生物にとってどちらが危険か。説明しよう。

Explain why we have to observe stars and other astronomical objects from above Earth’s atmosphere in order to fully learn about their properties.

恒星やほかの天体の性質を十分に知るためには、なぜ地球の大気より上から観測する必要があるかを説明しよう。

Explain why hotter objects tend to radiate more energetic photons compared to cooler objects.

英語のヒント

高温の物体は、低温の物体よりも、高いエネルギーの光子を放射する傾向がある。その理由を説明しよう。

Explain how we can deduce the temperature of a star by determining its color.

英語のヒント

恒星の色を調べると、どのように温度を推定できるかを説明しよう。

Explain what dispersion is and how astronomers use this phenomenon to study a star’s light.

分散とは何か、また天文学者が恒星の光を調べるために、この現象をどう使うかを説明しよう。

Explain why glass prisms disperse light.

ガラスのプリズムがなぜ光を分散させるかを説明しよう。

Explain what Joseph Fraunhofer discovered about stellar spectra.

ヨーゼフ・フラウンホーファーが恒星のスペクトルについて何を発見したかを説明しよう。

Explain how we use spectral absorption and emission lines to determine the composition of a gas.

吸収線と輝線を使って、気体の組成をどう決めるかを説明しよう。

Explain the results of Rutherford’s gold foil experiment and how they changed our model of the atom.

ラザフォードの金箔実験の結果と、それが原子モデルをどう変えたかを説明しよう。

Is it possible for two different atoms of carbon to have different numbers of neutrons in their nuclei? Explain.

英語のヒント

異なる2個の炭素原子が、それぞれの原子核に異なる数の中性子を持つことは可能か。説明しよう。

What are the three isotopes of hydrogen, and how do they differ?

水素の3種類の同位体は何か。また、どのように違うか。

Explain how electrons use light energy to move among energy levels within an atom.

電子が光のエネルギーを使って、原子内のエネルギー準位の間をどう移るかを説明しよう。

Explain why astronomers use the term “blueshifted” for objects moving toward us and “redshifted” for objects moving away from us.

こちらへ動く天体について「青方偏移した」、遠ざかる天体について「赤方偏移した」という語を使う理由を説明しよう。

If spectral line wavelengths are changing for objects based on the radial velocities of those objects, how can we deduce which type of atom is responsible for a particular absorption or emission line?

英語のヒント

天体の視線速度によってスペクトル線の波長が変わるなら、特定の吸収線や輝線を作るのが、どの種類の原子かをどう推定できるだろうか。