光(特に赤外線)が発生する原因

質問

光と言うと幅が広すぎるので、特に赤外線に絞って質問します。

１．基本的に分子・原子中の電子のエネルギーポテンシャルの変化を伴う現象に伴ってのみ放出されると考えて良いのでしょうか？

固体・液体・気体からどのようにして赤外線が出るのか(それを通して最終的にはどういった場合に出るのか、出ないのか)を知りたいです。

まず、固体・液体・気体問わず、燃焼すれば化学結合が変化する際に原子の周回軌道を回る電子のエネルギーポテンシャルが変化するので光子(つまり光)が放出される。これは広帯域のスペクトルであれば赤外線も含まれる、と言いうのはわかります。
あるいは化学結合状態が変化しなくても蛍光灯のように電圧をかけて電子を強制的に送ってやれば、電子のエネルギーポテンシャルが変化が起こるので、光が出そうな気がします。

２．固体の輻射ってどういう原理で赤外線が出るのでしょうか？

電流が流れる金属のように自由電子があれば、物体中を泳ぎ回る際に電子のポテンシャルエネルギーがいろんなレベルに移るので、その際に光が出るのもわかります。そういう原理であれば、電流の流れない絶縁体ではそういう事は起こらない(つまり赤外線は出ない)事になってしまいます。

３．気体からは基本的に赤外線は出ないという事のようですが、検索していて気体放電と言う現象があることを知りました。つまり積乱雲で雷が発生するような事だと思いますが、あれは積乱雲中の乱気流で氷の粒が衝突する事で静電気が発生するものと理解しています。電気が流れれば光が出るのはわかります。
それはそうと分子の衝突で電子のエネルギーポテンシャルの変化が起こるのなら、気体の状態であってもそれは起こり得るものと思います。すなわちブラウン運動によって気体分子は常に運動し、衝突を繰り返しているはずです。なぜ「気体からは基本的に赤外線は出ない」のでしょうか？

以上、素人目線からの質問で恐縮ですが、よろしくお願いします。

回答No.1

ohkawa3 · ベストアンサー

十分に説明できるほど理解できていませんが、固体表面からの赤外放射の原理は、次のURLの「原子による輻射場の吸収・放出」に記載されていますので参照なさってください。なお、反射率が高い鏡面のような場合には当てはまりません。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%AF%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87

お礼

ご回答ありがとうございます。

こうして見ると、一般的な光や特に赤外線の放射も電子軌道変化(エネルギー準位遷移)に伴うものと考えて良いのかもしれませんね。
(核分裂や核融合しても当然出ますが、さすがにそれは考えてません。生活環境や一般的な産業の現場で目にする現象の範囲だけで十分です)

回答No.2

Nakay702

単に興味を持っているだけの門外漢ですので、間違いがあるかも知れませんが、以下のとおりお答えします。

＞１．基本的に分子・原子中の電子のエネルギーポテンシャルの変化を伴う現象に伴ってのみ放出されると考えて良いのでしょうか？ 固体・液体・気体からどのようにして赤外線が出るのか(それを通して最終的にはどういった場合に出るのか、出ないのか)を知りたいです。まず、固体・液体・気体問わず、燃焼すれば化学結合が変化する際に原子の周回軌道を回る電子のエネルギーポテンシャルが変化するので光子(つまり光)が放出される。これは広帯域のスペクトルであれば赤外線も含まれる、と言いうのはわかります。あるいは化学結合状態が変化しなくても蛍光灯のように電圧をかけて電子を強制的に送ってやれば、電子のエネルギーポテンシャルが変化が起こるので、光が出そうな気がします。
⇒まず、「基本的に分子・原子中の電子のエネルギーポテンシャルの変化を伴う現象に伴ってのみ放出されると考えて良いのでしょうか？」についてはこう考えます。
周囲と比べて熱エネルギーの差がある場合、それの高い方から低い方へ向かって放射される熱線のうちの、最低辺に当たるものが赤外線である、と言えるのではないかと思います。その典型的な例が、1965年にペンジャスとウィルソンによって発見された３K宇宙背景放射（黒体放射）ですね。これはいわば一種のエネルギー崩壊ですから、大きく見れば「エントロピー増大の法則」の一局面と言えるのかもしれませんですね。
それにしても、３Kと言えば、絶対零度に３°C加えた温度つまり、−270.15°Cというとんでもない低温ですが、宇宙規模の観点から言えばかすかな「ぬくもり」はある、すなわち、遠赤外線の熱放射はするわけですね。なお、絶対零度になると宇宙のあらゆる粒子は活動を停止する、つまり、いかなる放射もしなくなるそうです。

＞２．固体の輻射ってどういう原理で赤外線が出るのでしょうか？ 電流が流れる金属のように自由電子があれば、物体中を泳ぎ回る際に電子のポテンシャルエネルギーがいろんなレベルに移るので、その際に光が出るのもわかります。そういう原理であれば、電流の流れない絶縁体ではそういう事は起こらない(つまり赤外線は出ない)事になってしまいます。
⇒これについては、まったくの独断ですが、こう考えます。
赤外線は電磁波の一種ですから、電流とは違いますよね。つまり、電磁場の周期的な変化が真空中や物質中を伝わる横波ですから、電荷の流れがなくても熱エネルギー差があるだけで赤外線は発生し得るわけです。電流も熱エネルギー差を生む要素の一つである、というに過ぎない、と推測する次第です。

＞３．気体からは基本的に赤外線は出ないという事のようですが、検索していて気体放電と言う現象があることを知りました。つまり積乱雲で雷が発生するような事だと思いますが、あれは積乱雲中の乱気流で氷の粒が衝突する事で静電気が発生するものと理解しています。電気が流れれば光が出るのはわかります。 それはそうと分子の衝突で電子のエネルギーポテンシャルの変化が起こるのなら、気体の状態であってもそれは起こり得るものと思います。すなわちブラウン運動によって気体分子は常に運動し、衝突を繰り返しているはずです。なぜ「気体からは基本的に赤外線は出ない」のでしょうか？
⇒通常、「気体からは基本的に赤外線は出ない」とされるのは、次のような「からくり」（機序）によるものと思われます。
すなわち、気体は、「固体→液体→気体」という位相変化の終着状態ですので、「（通常）気体からは基本的に赤外線は出ない」ということなのではないでしょうか。なぜかというと、一様に広がる気体中には熱エネルギー差がないからだと思います。ということは、特定の位相の臨界部あるいは異なる位相との接点では、赤外線が出る可能性はあると考えられますね。

お礼

ご回答ありがとうございます。こういう事を自由に考える頭があれば苦労はしていないのですが、基本的に古典物理学で頭が止まっています。やはり量子力学を受け入れないとダメかなぁ。

エネルギー崩壊って電子どころか核の崩壊ですよね。世の中にはファンデルワールス力＜電磁気力＜核力の3つしかなく、電磁気力で出るものは核力なら出せるであろうことは想像できます。ただ気体の温度が高くても、分子運動(ブラウン運動)だけで電磁波が出るというのはﾁｮﾄ考えづらい。しかしブラウン運動で分子同士が衝突したばあいはよくわかりません。

熱エネルギーの差が最終的に放射赤外線の多寡につながっているのはボルツマンの四条則からも確かですが、どういう経路でそうなっているかが知りたいです。気体でも暖かい空気の塊と冷たい空気の塊が存在する(分かれて接している)状況はありますね。