電磁波と光の不思議 - osaka...

電磁波と光の不思議

June 5, 2013 NHK 奇跡のオーロラ大爆発：大沢たかお 神秘の北極圏－光と闇の旅 第１夜（2013年4月13放送）

外・１・女

網は電磁シールドの役目を果たします。波長よりも短い間隔で導体（金属）を置くと、電磁波はの強度は指数関数的に減ります。

実験をしてみよう

ファラデー・ケージの中に入っていれば大丈夫

金網（ファラデー・ケージ）の中には電場が入らない

原子力潜水艦との通信

表皮効果（skin effect）：電磁波は電気を通す物質に侵入すると距離とともに弱くなる

電磁波の強さが 1/2.7（1/e） になる深さ可視光 in 金属： 0.004 μmラジオ波(1 MHz) in 金属： 0.16 mmラジオ波(1 MHz) in 海水： 0.25 m極低周波(75Hz) in 海水： 28 m

沖縄にある「象のオリ」は極低周波数(ELF)の電波を送

受信するためのもの。太平洋上の原子力潜水艦と通信するために不可欠。敷地境界の柵を金属で作ると電波がさえぎられるため、FRP という樹脂を用いている。象のオリ：直径200m、高さ28m

丸見え

隠れている

電磁波が横波である波長が合うアンテナでなければ吸収しない

3分11秒ＤＶＤ版 理科・物理実験１００撰 監修：江尻有郷、並木雅俊ジャパンライム株式会社

人・４・男

小学校の先生たちに自然のおもしろさを感じて欲しいです。でも、理科が苦手と思っている先生が非常に多いそうです。

阪大に付属小学校を作って阪大生が先生になれれば良いのですが。

法・１・男（留学生、部分）

外・１・男

外・１・男（部分）

法・１・男

外・１・女（部分）

法・１・女（部分）

ハト撃退装置

では、なぜ全ての物質は磁石の性質を持たないのだろう？

磁石を小さく切っても磁石になる

原子、原子核、核子、素粒子

バラバラな方向を向いていると磁石の性質を示さない

同じ方向を向くと磁石になる 同じ方向を向きやす

い物質と向きにくい物質がある

原子同士のあいだに働く力が強いか弱いか

角運動量と磁石

スピン角運動量

軌道角運動量

電荷を持ったものが回転運動をすると磁石の性質を持つ

原子や原子核や陽子や中性子もみんな小さな磁石

３つのクォークからなる

スピン角運動量

軌道角運動量

二つの棒磁石が反対向きになってくっつこうとするように

paring interaction

磁気双極子モーメントの原因はスピンと軌道運動

電子軌道の殻構造 (shell structure)

ナトリウム原子（中性）

磁場中に小さな磁石のコマである原子核を置くと，コマのように磁場の方向を

軸とした首振り運動（歳差運動）をする.歳差運動の存在やその角速度は，回

転している原子や原子核の磁気からの電磁誘導によって，その近くに置いた

コイルに生じるわずかな電気信号として検出することができる．もちろん，１個

の原子核からの信号はとてつもなく小さいが，多くの核を含む試料を使用する

と，全ての核が同じような歳差運動をするので，測定が可能となる．このような

手段による核磁気の検出は，核磁気共鳴として知られ，ブロッホとパーセルが，

独立に異なった方法で，1946年に初めて示された．彼らは，この功績によって，

1952 年にノーベル賞を受賞した．

核磁気共鳴（NMR: Nuclear Magnetic Resonance)

パーセルEdward M. Purcell

1912 - 1997

1952 ノーベル物理学賞

1946 核磁気共鳴(NMR)

核磁気共鳴（NMR: Nuclear Magnetic Resonance)

原子核のスピンが磁場の周りをコマのように運動（歳差運動）する

原子核のエネルギー

共鳴

核磁気共鳴を用いた診断ＭＲＩ （Magnetic Resonance Imaging）

放射線被ばくなし！

放射線を用いない癌検診法が開発された

体内には無数の水素原子核（陽子）があり、個々の陽子は小さな磁石の性質（核スピン）を持つ。

１．強い磁場の中に陽子をおくと、スピンは一斉に磁場の方向を向く。

２．一定の周波数の電磁波（マイクロ波）を照射すると、スピンの向きが反転する（共鳴）。

３．電磁波を切ると、スピンはゆっくりと再び磁場の方向を向く（緩和）が、その際電磁波を放出する。

戻るスピードは生体組織や病変によって異なる。電磁波が放出される時間を測定すれば、生体

内部にどのような組織や病変があるかがわかる。

４．磁場の強さが位置によって変化するようになっていれば、場所毎に電磁波の周波数が異なる。

放出される電磁波の周波数から、その陽子がある場所が特定できる。

超伝導電磁石を使用

文・１・男（部分）

外・１・男

17ＤＶＤ版 理科・物理実験１００撰 監修：江尻有郷、並木雅俊ジャパンライム株式会社 1分59秒

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電磁波とは

目に見えないけど、空間を伝わる電場と磁場がある

electromagnetic wave

理論的に予言

実験的に確認 1886年（明治19年）

1865年（元治2年）

ジェームス・マクスウェル James Clerk Maxwell (1831 – 1879)イギリス、スコットランド

１９世紀最大の理論物理学者

1879: アインシュタイン生誕の年

電磁気学熱力学統計力学

色彩の理論土星の輪の研究

キャヴェンディッシュ研究所初代所長

電磁場の方程式を近接作用の立場で集大成マクスウェルの方程式1865年）

1831: 電磁誘導発見の年

：電場、位置 r、時刻 t

：磁場

：電荷密度

：電流密度

：真空の誘電率

：真空の透磁率

物理量 単位を与える定数

電磁波の予言

光の速度で進む横波

マクスウェル方程式を真空中という条件で解くと

波動方程式

= 2.997x108 m/s

ハインリッヒ・ヘルツHeinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894)ドイツ、ハンブルグ

1886年 電磁波の確認450 MHz

周波数の単位：ヘルツ

悪性骨腫瘍で逝去（37才）

横波であることを確認

ガンマ線、Ｘ線、紫外線、赤外線、電波はみんな電磁波の仲間

エネルギーが大きい、波長が短い、振動数が大きい

Newton 2006年7号

光電効果（アインシュタイン、１９０５年）

光が物質にあたると電子が飛び出す

任期: 1981年1月20日 –1989年1月20日

アメリカ合衆国 40代大統領

Ronald Wilson Reagan 

ロナルド・レーガン

1911 ‐ 2004

任期中に２回鼻の皮膚ガンを手術紫外線によると報道

対ソ連戦略として SDI 構想を推進、先制核攻撃の概念戦略核兵器から戦術核兵器へ、中性子爆弾の開発中曽根康弘総理大臣とは「ロン・ヤス」の関係「日本を不沈空母とする」との中曽根発言

映画俳優時代に日焼けした・・・・

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ヘルツがやったのと同じ方法で電磁波を発生させよう

放電

Pコイル：数百巻きSコイル：数万～数十万巻き

接点が開いて電流が断たれるときに高電圧が発生

高電圧を発生させて放電現象を見よう

山川健次郎がX線を発生させるために用いたものと同じ

車やバイクの点火プラグに火花放電を起こさせるためにも使われている

誘導コイル（induction coil）

様々な周波数の電磁波が発生

数万～１０万ボルト

空気を光らせる！

真空放電

電子の運動を見よう！

電子の電荷と質量の比（e/m）を測る

一様な磁場中で電子を走らせると円軌道を描く

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サイクロトロンとシンクロトロン

一様な磁場中での荷電粒子の運動

円軌道を描く速度が大きいほど大きな半径

円軌道を一周するのにかかる時間

電極のあいだに一定の周波数の高周波電場をかければ荷電粒子を加速できる

等時性

1932年 ローレンス

米国は、学徒たちが勉強のためにヨーロッパに逃げ出してしまうような知的沈滞の状態から脱した。核物理学研究の重心は、ケンブリッジにあるラザフォードのキャヴェンディッシュ研究所からバークレーに移った

サイクロトロンの発明加速器の発明（1932年）

アーネスト・ローレンスEarnest O. Lawrence (1901-1958)

比較的低電圧でも繰り返し加速することで高エネルギーまで加速出来る

エネルギーによらず常に一定の周期で回る

住友重機製CYPRIS-MINItrace (1999年) 全国で２８台

陽子 10 MeV、 数10A4.5m x 5.5m

18F, 15O, 11C を製造

病院に設置されているPET用放射性同位元素製造用サイクロトロン

原子核物理学の研究に用いられるサイクロトロン

大阪大学核物理研究センター カナダTRIUMF

陽子 400 MeV18O 11000 MeV

陽子500 MeV100μA

ヨーロッパ連合原子核研究機関（ＣＥＲＮ）の加速器

陽子シンクロトロン 400GeV、陽子・反陽子衝突器 270GeV

20ヶ国、2500人、800億円／年

磁場が斜めだとらせん軌道を描く

これがオーロラの原因

天空の炎 氷の大地：NHK コズミックフロント（2013年5月23日放送） 1分46秒

オーロラが出来る理由

NHK 奇跡のオーロラ大爆発：大沢たかお 神秘の北極圏－光と闇の旅 第１夜（2013年4月13放送）

大沢たかお がカナダで見たオーロラ

7分10秒

ヘイ・ジュード少年を励ます歌が革命のシンボルとなった

1968年8月ジョン・レノンとシンシア・レノンが離婚協議中に一人息子のジュリアンを励ますために作られたと言われている

ヘイジュード涙があなたをどう変えたの目がヒリヒリ涙があなたを冷えさせる私があなたに贈れるものは少ないけどあなたは私たちに歌ってくれるいつもあなたと共にある歌を

ヘイジュード甘いささやきは一見心地いいけどそれだけじゃないのね「韻」の終わりがあるすべての歌の裏には「陰」があって私たちに教えてくれる

人生はすばらしい人生は残酷でもジュード自分の人生を信じなさい人生は私たちに傷と痛みを与え時として傷口に塩をすりこみ杖が折れるほどたたく人生は私たちをあやつるけど悲しまないで

ジュードあなたには歌があるみんながそれを歌うとあなたの目が輝くそしてあなたが静かに口ずさむだけですべての聴衆はあなたにひきつけられる

あなたはこっちへ、私は向こうへ歩き出すでもジュードあなたと遠くはなれても心はあなたのそばに行ける今私はなす術もなくあなたの歌を聴く自分を恥じている神様私を裁いてください私はあなたのように歌う勇気がない

ジュードあなたは知っている口がヒリヒリ石をかむようなつらさをあなたの口からきれいに聞こえてくる歌は不幸の裏にある「真実」を教えてくれる

チェコスロバキアの人気女性歌手は一夜にして闘士に変えた抵抗のメッセージソング

1968年1月5日 アレクサンデル・ドゥプチェクがチェコスロヴァキア共産党第一書記に就任（プラハの春）。1968年8月20日 夜11時頃、ソ連率いるワルシャワ条約機構軍が国境を突破し侵攻。

チェコスロヴァキア全土を占領下に置いた。

マルタ・クビショバ

NHK 「世紀を刻んだ歌ヘイ・ジュード～革命のシンボルになった名曲～」（2000年10月4日放送） 8分36秒

レコードは廃棄され音楽界から永久追放

1989年11月17日 チェコ無血革命（1942－ ）