【解説】量子力学って何？①奇妙な実験 なぜ「量子」と呼ばれるのか【二重スリット実験】

Summary

This video script delves into the intriguing world of quantum mechanics, a field often misunderstood and associated with science fiction and spirituality. It starts by exploring the historical debate between the particle and wave theories of light, leading to Young's double-slit experiment which suggests light behaves as both. The script then discusses Planck's quantum hypothesis, explaining blackbody radiation, and Einstein's extension to the photoelectric effect, introducing the concept of photons. It highlights the revolutionary idea of quantization in explaining previously enigmatic phenomena, setting the stage for the development of quantum mechanics.

Takeaways

• 🌌 Quantum mechanics is a branch of physics that often defies common sense and is often associated with science fiction, occultism, and spirituality due to its counter-intuitive concepts.
• 🔬 The nature of light has been a subject of debate for centuries, with the wave-particle duality being a central mystery that was not fully understood until the 20th century.
• 🌐 Thomas Young's double-slit experiment in 1805 demonstrated the wave-like interference pattern of light, suggesting that light behaves as a wave.
• 📉 In 1982, an experiment by Hamamatsu Photonics showed that when light intensity is reduced, the interference pattern disappears, challenging the wave theory and suggesting a particle nature for light.
• 👀 The act of observing which slit the light passes through with sensors eliminates the interference pattern, indicating that light's behavior changes based on observation, a core concept in quantum mechanics.
• 🔢 Max Planck introduced the concept of quantization in 1900 to explain blackbody radiation, proposing that energy is emitted or absorbed in discrete amounts, or 'quanta'.
• 🌞 Albert Einstein further developed the quantum concept in 1905 to explain the photoelectric effect, suggesting that light consists of particles, or photons, each with quantized energy.
• 🏆 Both Planck and Einstein received Nobel Prizes for their contributions to quantum theory, which helped explain phenomena that classical physics could not.
• 🌈 The emission spectrum of hydrogen, which consists of discrete lines, was explained by Niels Bohr's model, which introduced the idea of quantized electron orbits within the atom.
• 🚀 Quantum mechanics challenges traditional notions of reality, introducing concepts such as superposition and entanglement that have profound implications for our understanding of the universe.
• 📚 The script promises a continuation in the next video, delving deeper into the history of quantum mechanics and its development into a full-fledged scientific discipline.

Q & A

What is quantum mechanics and why is it often misunderstood?

Quantum mechanics is a branch of physics that deals with the behavior of matter and energy at the atomic and subatomic level. It is often misunderstood because its principles, such as superposition and entanglement, can be counterintuitive and do not align with everyday experiences or classical physics.

Why is quantum mechanics sometimes associated with pseudosciences like occultism or spiritualism?

Quantum mechanics is sometimes associated with pseudosciences because its complex and abstract concepts are often misrepresented or oversimplified in popular culture, leading to misunderstandings and misapplications in areas like spiritualism or new-age philosophies.

What is the historical debate between the wave and particle theories of light?

The debate between the wave and particle theories of light dates back to the 17th and 18th centuries with scientists like Christiaan Huygens advocating for the wave theory and Isaac Newton for the particle theory. This debate continued until the 19th century when Thomas Young's double-slit experiment suggested light behaves as a wave, but later experiments showed it also exhibits particle-like properties.

What is the double-slit experiment and what does it demonstrate about light?

The double-slit experiment is a classic physics experiment that involves shining light through two closely spaced slits and observing the resulting pattern on a screen. It demonstrates the wave-like behavior of light, showing interference patterns that result from the superposition of waves passing through the slits.

What was the surprising result when the double-slit experiment was conducted with very low light intensity?

When the double-slit experiment was conducted with very low light intensity, the surprising result was that light appeared to act as a particle, with individual photons hitting the screen at discrete points, rather than creating an interference pattern as expected for a wave.

What is the photoelectric effect and why was it challenging to explain with classical physics?

The photoelectric effect is the emission of electrons from a material when it is exposed to light of a certain frequency. Classical physics could not explain why electrons were only emitted when light of a certain frequency was used, regardless of the light's intensity, which contradicted the wave theory of light.

What role did Max Planck's hypothesis play in the development of quantum mechanics?

Max Planck's hypothesis, which proposed that energy is quantized and can only take discrete values (E = nhν), was crucial in explaining blackbody radiation. This concept of energy quantization laid the groundwork for the development of quantum mechanics.

What is the significance of Planck's constant (h) in quantum mechanics?

Planck's constant (h) is a fundamental constant in quantum mechanics that relates the energy of a photon (E) to its frequency (ν), expressed as E = hν. It signifies the smallest unit of energy that can be exchanged in quantum processes.

How did Albert Einstein's work on the photoelectric effect contribute to quantum mechanics?

Albert Einstein proposed that light consists of quanta, or photons, each with energy proportional to its frequency. This explanation of the photoelectric effect supported the idea of light having both wave and particle characteristics, which was a significant development in the field of quantum mechanics.

What is the significance of the spectral lines observed in the emission spectrum of hydrogen?

The spectral lines observed in the emission spectrum of hydrogen are significant because they can be explained by the quantization of electron energy levels within the atom. This observation supports the quantum mechanical model of the atom, where electrons can only occupy certain discrete energy levels.

What is the Bohr model and how does it relate to quantum mechanics?

The Bohr model is an early quantum mechanical model of the atom, proposed by Niels Bohr, which suggests that electrons orbit the nucleus in quantized energy levels. While the model has been superseded by more accurate quantum mechanical theories, it was instrumental in the development of quantum mechanics by introducing the concept of quantized electron orbits.

Outlines

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🌌 Quantum Mechanics and the Mystery of Light

This paragraph introduces the topic of quantum mechanics, a branch of physics that often defies common sense and is sometimes associated with science fiction, the occult, and spirituality. It mentions how quantum mechanics is used in SF movies and other contexts to add a layer of mystery or depth. The script then sets the stage for a discussion on the history of quantum mechanics, beginning with the mystery of light, which has been a subject of debate for centuries. It references the wave-particle duality of light, starting with the theories of Christian Huygens and Isaac Newton, and leading up to the pivotal double-slit experiment conducted by Thomas Young in 1805, which suggested that light behaves like a wave.

05:04

🔬 The Double-Slit Experiment and the Particle Nature of Light

This paragraph delves into the results of the double-slit experiment, which initially supported the wave theory of light. However, when the experiment was conducted with a very dim light source, the screen displayed a pattern of individual dots, suggesting a particle nature for light. As the experiment continued, a surprising interference pattern emerged, identical to the wave-like pattern observed when light was bright, challenging the simple wave-particle duality. The paragraph also discusses the implications of adding sensors to the slits, which seemed to collapse the wave-like behavior into a particle-like one, indicating that observing the light affected its behavior, a phenomenon that defies intuitive understanding.

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🔍 The Birth of Quantum Theory and Planck's Hypothesis

This section discusses the emergence of quantum theory, starting with Max Planck's hypothesis in 1900. Planck proposed that energy is quantized, meaning it can only take on certain discrete values, to explain blackbody radiation, a phenomenon where heated objects emit light. His formula, E = nhν, where n is an integer and h is Planck's constant, perfectly matched experimental results. This concept of quantization was counterintuitive, as physical phenomena were previously thought to be continuous. Planck's constant was defined as 6.6 × 10^-34, a value that would later prove crucial in other quantum phenomena.

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🌟 Einstein's Advancement of Quantum Theory and the Photoelectric Effect

Albert Einstein further developed the concept of quantization by applying it to the photoelectric effect, where light shining on a metal releases electrons. Einstein proposed that light consists of quanta, or photons, each with energy proportional to its frequency. This explanation accounted for the experimental observations that electrons are only emitted when light of a certain frequency is used, and that the energy of the emitted electrons does not increase with the intensity of the light. Einstein's work on the photoelectric effect not only explained the phenomenon but also confirmed the quantum nature of light, earning him the Nobel Prize.

20:08

🌈 The Quantum Explanation of Spectral Lines and Bohr's Model

This paragraph explores the application of quantum theory to explain the emission spectra of elements, such as hydrogen. Niels Bohr introduced the idea that electrons in atoms can only occupy certain quantized orbits, leading to quantized energy levels. When an electron transitions between these levels, it emits or absorbs a photon with an energy equal to the difference between the levels. This model successfully explained the observed spectral lines of hydrogen and other elements. Although Bohr's model has been superseded by more accurate quantum mechanical models, it was a significant step in the development of quantum theory and earned Bohr the Nobel Prize.

Keywords

💡Quantum Mechanics

Quantum Mechanics is a fundamental theory in physics that describes the behavior of matter and energy at atomic and subatomic scales. It is central to the video's theme, as it discusses the peculiar and often counterintuitive phenomena observed at the quantum level, which can be in stark contrast to classical physics. The script mentions how quantum mechanics is often associated with science fiction and spirituality due to its abstract nature.

💡Wave-Particle Duality

Wave-particle duality is the concept that every particle exhibits both wave and particle properties. This concept is crucial in the video as it discusses historical debates and experiments, such as Young's double-slit experiment, which led to the understanding that light and matter can display characteristics of both waves and particles, challenging classical views.

💡Young's Double-Slit Experiment

Young's double-slit experiment is a classic physics experiment that demonstrates the interference pattern produced when light waves pass through two closely spaced slits. The video uses this experiment to illustrate the wave-like behavior of light and the subsequent realization that light behaves as both a particle and a wave, which is a fundamental concept in quantum mechanics.

💡Photon

A photon is a quantum of light and is the basic unit of the electromagnetic field. The script introduces the concept of photons when discussing Einstein's explanation of the photoelectric effect, where light is considered as a collection of particles, each with discrete energy. Photons are key to understanding how light can exhibit particle-like properties.

💡Photoelectric Effect

The photoelectric effect is the emission of electrons from a material when it is exposed to light. The video explains how Einstein's application of the quantum concept to the photoelectric effect helped to explain why electrons are emitted only when light of a certain frequency is shone on a metal, which could not be explained by classical wave theories of light.

💡Planck's Constant

Planck's constant is a fundamental physical constant that describes the scale at which quantum effects become significant. The video mentions this constant in the context of Planck's hypothesis that energy is quantized, which was pivotal in explaining blackbody radiation and later became a cornerstone of quantum mechanics.

💡Blackbody Radiation

Blackbody radiation refers to the electromagnetic radiation emitted by a blackbody, an idealized object that absorbs all incident electromagnetic radiation. The video discusses how classical physics failed to explain the observed spectrum of this radiation, leading to Planck's introduction of the quantum hypothesis, which successfully explained the phenomenon.

💡Quantization

Quantization in physics refers to the process where certain physical quantities can only change in discrete amounts rather than continuously. The video emphasizes the importance of quantization in the development of quantum mechanics, showing how it was key to explaining phenomena like blackbody radiation and the photoelectric effect.

💡Bohr Model

The Bohr model is a historical atomic model that introduced quantization to the orbits of electrons around the nucleus. The video briefly mentions Niels Bohr's model in the context of explaining the emission spectrum of hydrogen, where electrons can only occupy certain allowed orbits, leading to the emission of light at specific frequencies.

💡Emission Spectrum

An emission spectrum is a spectrum of light emitted by an object, characterized by bright lines at specific frequencies. The video describes how the emission spectrum of hydrogen can be explained by the quantized energy levels of electrons in the Bohr model, where transitions between these levels result in the emission of photons with specific energies.

💡Wave Interference

Wave interference occurs when two or more waves superpose to form a resultant wave of greater, lower, or the same amplitude. The video uses the concept of wave interference to explain the pattern observed in Young's double-slit experiment, which is a key demonstration of the wave nature of light.

Highlights

Introduction to the concept of quantum mechanics, which is a branch of physics that often defies common sense and has been associated with science fiction, the occult, and spirituality.

Historical context of the wave-particle duality debate in quantum mechanics, starting with the theories of light as waves by Christian Huygens and as particles by Isaac Newton.

Thomas Young's double-slit experiment in 1805, which provided evidence that light behaves as a wave due to the interference pattern observed.

The surprising results of the double-slit experiment when light intensity was reduced, showing individual photons as points on a screen, challenging the wave theory.

The paradoxical nature of light's behavior as both a particle and a wave, leading to the development of quantum mechanics' foundational concepts.

Max Planck's introduction of the quantum hypothesis in 1900, proposing that energy is quantized and can only take discrete values, which successfully explained blackbody radiation.

Albert Einstein's extension of the quantum concept to explain the photoelectric effect in 1905, suggesting that light consists of quanta, or photons, with discrete energy levels.

The photoelectric effect's experimental laws that were inexplicable by classical physics but found coherence with the quantum theory of light.

Niels Bohr's quantum model of the hydrogen atom, which introduced the idea of quantized electron orbits and successfully explained the hydrogen emission spectrum.

The significance of Planck's constant (h) in both blackbody radiation and the photoelectric effect, suggesting a fundamental role in quantum mechanics.

The Nobel Prize awarded to Max Planck, Albert Einstein, and Niels Bohr for their foundational contributions to quantum mechanics.

The concept of energy quantization challenging the traditional continuous view of physical phenomena, marking a radical departure from classical physics.

The practical applications of quantum mechanics in various fields, including the development of modern electronics and computing.

The historical progression from the initial perplexity of quantum phenomena to the establishment of quantum mechanics as a formal scientific discipline.

The upcoming exploration of the historical development of quantum mechanics into a full-fledged scientific field in subsequent videos.

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Transcripts

今回は名前だけならみんな一度は聞いたことがある 量子力学のお話をしていきたいと思います

量子力学は列記とした物理学の一学問なわけですが

そこから導ける内容が普段生活する中の一般的な感覚とは 相入れない内容になりがちなので

SF、オカルト、スピリチュアルといったイメージを お持ちの方もいるのではないかと思います

実際SF映画などで物語を最もらしく見せるためのエッセンスとして 量子力学の要素が使われているというのを一度は見たことがあるのではないでしょうか

オカルトやスピリチュアルの世界でも 量子力学で幸せになるための引き寄せの法則とか

量子エネルギーを波動に乗せるとか なんだかよくわからない文脈で量子力学というワードを使い

内容としては単なる自己啓発のものをそれらしく見せると そういう材料として使っているのをよく見かけます

ということでこの動画では量子力学とその歴史について 簡単すぎず難しすぎないような形でお話をしていこうと思っています

もし興味のない方もぜひ高評価ボタンを押して この動画を拡散していただいた上で睡眠用のBGMとしてお楽しみください

量子力学は光にまつわる謎から始まっています では光にまつわる謎の歴史から紹介をしていきましょう

そもそも光というものの存在は古くから知られていました ですがその正体をめぐっては長い間議論が繰り広げられてきた

そういう対象でもあります 1690年クリスティアン・ホイヘンスはとある本を出版しました

その中でホイヘンスは光の解説や干渉といった現象を 波の性質を用いて説明できるので光は波動であるという説を提唱しています

一方1704年アイザック・ニュートンはとある本を出版しました この中でニュートンは光が直進する性質や反射屈折する性質から光を粒子の流れと見なせるため光は粒子であるという説を唱えていました

どちらも言ってることが違うんですがどちらもそれなりに合理的ではありました こうして長らく光の正体は粒子説と波動説の両方があるという状態でした

ところがその100年後の1805年一旦光の正体に決着がつくことになります 1805年にトーマス・ヤングが画期的な実験二重スリット実験と呼ばれる実験を行いました

この実験で用意するものは3つです まず光を出すためのライトそしてその奥に2つのスリットを開けた壁

そしてそのさらに奥に光に反応して色がつくようなスクリーンを置いておきます それらをこんな感じに配置しますこれで準備完了です

さてこの状態でライトから光を放つとスクリーンにはどういう模様が現れるのでしょうか 実験の結果このスクリーンには次のような模様が現れました

シマシマ模様のようなこういう模様です このシマシマ模様は干渉模様といって2つの波が重なり合った時に現れる模様と一致しています

これを図にするとこういった形になります光の正体は波であると考えた場合 スリットから出てくる2つの波の重なり合いによってこのような模様が出来上がるということは知られていました

本当に波が重なり合ったらこんな模様になるのか 湖で実験している動画があったので見てみましょう

このように湖の水の上で2つのボールを同時に揺らして2つの波を作ります するとこの波はそれぞれが打ち消し合う部分と強め合う部分が生まれ最終的に先ほど示したような干渉模様が生まれるというのが

こんなシンプルな実験でも示せますよね 光が波であったとしてこれと同じことが光でも起きたというふうに考えるとヤングが行った二重スリット実験というのは説明できます

これにより光の正体は波動であるという決着がつけられることになります 1805年にヤングが行った実験はここまでです

そのため1800年代の間は光は波動であるというのが正解とされてきました

ですがこの実験には続きがあります このライトの出力を極限まで絞って同じ実験を行ってみましょうこの実験は1982年

浜松ホトニクスによって実際に行われた映像があるのでそれを見ていきます 光が波であるとすると出力を弱めたとしても薄い干渉模様は現れてくるはず

ですだってそうですよね波が弱かったとしても重なり合いは起こるはずです ではどんな結果になったんでしょうか

するとその結果スクリーンにはポツポツと点がつくようになりました この時点で光は波動であると考えていた人にとっては衝撃です

もし光が波であればこんな風にポツポツと模様がつくということが説明できません どんなに弱い波であっても重なり合いは起こって干渉するはずだしそうじゃなかったとしてもこんな風にポツポツと点がつくという結果は起こり得ないからです

この結果を受け入れようとすると光は粒子であると考えた方がどうも良さそうに見えます さてこの調子で実験を続けていきましょう

引き続き弱い光を当て続けますすると点の数はどんどん増えていきます 点はランダムについて言っているようにも見えますよねやっぱり光は粒子なのでしょうか

そして光を照射し始めて6時間後結果はこうなります 大量の点が明らかに干渉島を作っているように見えます

これは先ほど見た干渉模様と全く同じ模様のようです

ちょっと待ってください干渉模様というのは波が重なり合った結果生まれるものでしたよね 光が粒子であったとしたらこんな模様のような分布になるということが説明できません

ヤングが行った実験で干渉模様が現れたということは光は波であるという結論も合理的です でも光を弱めると確かにスクリーンにはポツポツと点がついているので粒子であるということも合理的です

でも不思議なのは光が最初から粒子であったとするとライトから発射された粒がスリットのどちらかを通ってスクリーンにぶつかって跡が残るという風に解釈するしかなく

こういう解釈をした場合この光の粒を打ち続ければ最終的にさっきの波の干渉模様になってしまうという点が説明できなくなります

波は両方のスリットを通るからこそ干渉という波の重なり合いが起こるからです 粒子が2つのスリットを同時に通るというのは考えられません

粒子だとか波動だというようなシンプルな表現でこの実験結果を説明するというのが難しくなってきました

一粒一粒は粒子なのに最終的に波と同じ結果になるというのは非常に直感に反します

これを光が波動だもしくは粒子だという二元論で考えようとするとこういうことになります

光はライトから放たれたら波として空間を進み二重スリットを波として通り抜けるので干渉が起こると

ただしスクリーンにぶつかる瞬間に突如姿が粒に変わるということですよね

ここまででもかなり直感に反した実験結果が得られているんですが さらにこのような実験をするともっと興味深い結果になります

今度はこのスリットそれぞれに光が通ったらお知らせしてくれるようなそういうセンサーをつけて光がどっちを通ったかがわかるようにしてみましょう

ついでにスリットに名前もつけてスリットAスリットBとしておきましょう

こうすれば光が一体どちらを通ったのかもしくは同時に通ったのか何かがわかりそうです

この状態で先ほどと同じ光を放つ実験を行うと面白い結果が得られます

まず実験結果としてセンサーには必ずどちらか片方しか反応せず同時に反応するということはありませんでした

では問題です最終的にスクリーンにはどんな模様が浮かび上がるのでしょうか考えてみてください

スクリーンにはこのような模様が浮かび上がりました

光の波としての性質である干渉模様が消えてしまっています

あたかも光が最初から粒子であるかのようです光がどちらのスリットを通ったのかを確認するだけで光が波であるかのような振る舞いがなくなってしまいました

この後センサーを外して実験をすると最初の実験のようにまた干渉模様が浮かび上がってきます

この結果でさらに光が波動だもしくは粒子だとシンプルに考えることが難しくなりました

光はライトから放たれたら波として空間を進み二重スリットを波として通り抜ける

ただしスクリーンにぶつかる瞬間に突如粒に姿を変えるここまではさっき話しましたが

スリットにもしセンサーがあった場合波として進んでいた光がセンサーで観測された瞬間粒に姿を変えそれ以降は粒として進みスクリーンにぶつかる

こういうふうに考えれば一応実験結果は説明できますよね ただし我々が持っている一般的な直感には反しています

でも事実としてこういう現象が起こっているわけでいくら直感に反する結果だったとしてもそれは受け入れざるを得ません

少なくとも言えるのは光が波動だとか粒子だという考え方そのものが成立しなくなっているという事実があるということがわかります

これが量子力学とどう関わってくるのでしょうか

では次になぜ量子という単語が生まれることになったのか紹介をしていきましょう

そもそも科学サイエンスというものは何らかの事実からそれを説明できる枠組みを作り上げていくこととも言えます

ある事実からこういった法則なんじゃないかと過程を置きその過程をもとに新たな実験を行ってその過程が事実と一致するのかどうかというのを確認していく

そういう作業なわけですよねそして1800年代後半当時の物理学では説明できない一つの現象がありました

物体に熱を加えると光り出すという現象ですこの現象自体は昔から知られていましたそれに皆さんも知っているはずです

金属を熱々に加熱したら赤く光っているという様子を見たことがあるはずです

火山噴火などでドロドロに溶けた岩石が赤く光っているっていうのもそうですよね

身近な例だとオーブントースターとかヒーターとかも熱を加えたら赤く光っているとそういうものを見たことがあるはずです

これは黒体放射という名前がついている現象で温度によって何色に光るのかというものは決まっています

物理学者は何度の時に何色に光るのかというような法則を説明しようと試みましたが一部分だけ説明できたものの全部を説明できる法則は

どうやっても今までの物理学からは導くことができませんでした

そこに1900年マックス・プランクが当時の物理学としては突飛なある仮説を立てた上でプランクの法則という法則を導きました

このプランクの法則をもとに黒体放射の周波数分布を予測した結果

なんと実験結果と完璧に一致するということが分かりました

この法則を導く際に立てた仮定がエネルギーは飛び飛びの値しか取らないというものでした

ここで示した式がEイコールnhνというものでEがエネルギーνが振動数です

そこにくっついているものがnとhです

nは整数そしてhは何かしらの定数です

このポイントそれはnが整数であるということです

整数ということは0とか1、2、3とかそういった飛び飛びの値しか取らないということです

nイコール1.3とか1.5みたいなものは存在しません

ということはEも0、hν、2hν、3hνといったように

hνを最小単位とした飛び飛びの値しか取ることができないということがこの式で示されています

こういうものを非連続的とか離散的とか言ったりします

これは感覚的に考えると受け入れられないことでした

物理学的な現象は連続的であることが当然だと考えられていたからです

まあものすごく極端に誇張した例を言うとすると

例えば水の温度は10度単位しか取り得ないと言うとどうでしょうか

その間の温度は存在しないというわけなんですが

感覚的におかしいと思うんではないでしょうか

だって水を温めていったら10度になったと思ったら

急に20度になり急に30度になり

その間の15度とか23度とか

そういった数字は存在しないと言ってるわけです

エネルギーが飛び飛びになってるっていうのは

そのぐらい突飛なことなんですよね

そのようなイメージで感覚には反していますが

とにかくプランクがエネルギーが飛び飛びの値しか取らないということを仮定すると

黒体放射を完璧に予測することができます

エネルギーEがhνという最小単位として

Eイコール0hν2hν3hνという飛び飛びの値を取る

この最小単位まとまったエネルギーのことを量子と呼ぶことにしました

量子は英語でQuantumと書き

これはラテン語から来ているそうで

どのくらいのという意味があるらしいです

よく聞く英単語のQuantityとかQualityとか量とか質って意味ですが

こういう意味の単語の語源と同じ語源です

プランクはhνというひとまとまりになっている

量の最小単位のことを量子と呼ぶことにしました

そしてこのようにエネルギーが量子を単位にした形となっているという仮説を

エネルギー量子仮説と呼ぶことにしました

先ほどもお話ししたようにこの仮説は直感には反していますが

そうすることによって黒体放射が説明できるということも事実です

またここで使ってきたhという定数は黒体放射の実験がぴったり再現できる値として

6.6×10-34乗という数字で定義されました

今ではこの定数はプランク定数と呼ばれる重要な定数になっています

これが量子力学という学問の始まりです

ただしこれは今だからこそ言える話で

当時はただ黒体放射を説明するためだけに無理やり設定されたようにも見える

大した意味もなさそうな法則でした

この5年後の1905年アルベルト・アインシュタインがこの概念をさらに発展させることになります

当時の物理学で説明できなかった現象の一つに光電効果という現象がありました

これは1800年代に見つかっていた現象で

金属に光を当てると電子が放出されるという現象です

この光電効果は様々な実験がされた結果次のような法則があるということが分かっていました

ある一定以上の振動数の光でなければ電子の放出は起こらない

光の強度を上げると放出される電子の数は増加するが電子のエネルギーは変わらない

光を照射した瞬間に電子が放出されるこの3つですね

ですがなぜこうなるのかというのは説明できませんでした

最初にもお話ししましたが1800年代において光の正体は電磁波「波」であると考えられていました

光が波であるという証拠は多数あり

すでに光が波であるということを前提にマクスウェルが電磁気学というものも完成させていたためです

ただし光が波であるとすると先ほどの実験結果の説明ができないというのが難問でした

もし光が波であった場合たとえ振動数が低くても長時間光を当て続ければ電子を放出するのに必要なエネルギーは溜まるはずですし

光の強度を上げると放出される電子のエネルギーが増加するはずだからです

そんな謎が多い光電効果ですがアインシュタインはプランクが考えた量子化の概念を光にも当てはめてみることにしました

つまり波であると考えられていた光ですが実はhνというエネルギーを持った粒の集合体であり

それらが集まってエネルギーEイコールnhνという集合になっているという考え方です

つまり光をhνという単位で量子化したということです

ちなみにこの光の量子一粒を光子と呼んでいます

こう考えることによって光電効果の実験結果はすべて説明できました

ある一定以上の振動数の光でなければ電子の放出が起こらないのは光子一粒のエネルギーは振動数によって決まるので

電子を弾き出すために必要なエネルギーは振動数によって決まると言えるためです

光の強度を上げると放出される電子の数が増加するが電子のエネルギーは変わらないというのは

光の強度を上げても光子の数が増えるだけであり光子一粒が持っているエネルギーは変わっていないためです

光を照射した瞬間に電子が放出されるというのは光子が粒であり金属に衝突すると即座にエネルギーが電子に伝わるためです

このようにアインシュタインは光を量子化された粒であると仮定し光電効果の実験結果を完璧に説明しました

ここでも量子化というアイディアから当時謎だった実験結果を完璧に説明できてしまったわけですよね

そして光電効果の実験結果からhが何なのかという数字を計算してみました

するとプランクが黒体放射を説明するときに設定した6.6×10-34とぴったり同じ数値となりました

黒体放射と光電効果全然関係ない全く異なる2つの実験の説明において

ぴったり同じ定数のhが導けてしまったというのは偶然にしてはできすぎています

ということはこの量子化という考え方が何かの本質を捉えているんだろうということがだんだんわかってくるんですよね

ちなみにアインシュタインはこの功績によりノーベル賞を受賞しています

量子化という考え方がとある実験結果を説明できた例をもう一つ紹介します

それは発光スペクトルと呼ばれるものです

皆さん空にかかる虹を見たことはあるかと思います

青色から赤色まで様々な色が見えると思うんですが

あの現象は空気中の水分によって太陽の光が分解されたために起こります

光の正体は電磁波であると考えられているという話は先ほどしましたが

太陽から届く電磁波というものは様々な波長のものが混じり合っています

電磁波はその波長によって呼び方が変わっていますが

波長がまあだいたい400nmから800nmくらいの電磁波を人間は目で見ることができます

目で見える電磁波のことを人間は光と呼んでいるわけですが

この電磁波波長ごとに分解をすることができます

電磁波を分解する装置は分光器と呼ばれます

実際にね私このちっちゃい分光器を持ってるんですが

これを使って太陽を覗くと綺麗に虹色が見えます

一方これを使って蛍光灯の光を覗くと線のようになっているものが見えます

これはつまり特定の波長の光しか出ていないということを意味します

この理由としては蛍光灯の管の中にとあるガスが入っているからなんですが

実はガスの種類によって発光する波長というものが違っています

これを発光スペクトルと呼んでいます

同じように水素ガスに電気を流した時の光を覗いてみると

こんな感じに見えます

このように4本線があるように見えるんですよね

このこと自体は昔から知られていました

ただしなぜこのように線が見えるのかという理由は今までわかっていませんでした

物理学者のニールス・ボーアは水素原子の構造を考え

原子の中にいる電子は特定の飛び飛びの軌道にしか存在できないという仮定を考えました

言い換えるとこれはまさに電子の軌道を量子化するということです

ボーアは量子数nというものを考え

nによって決まる軌道でしか電子は存在できないというふうに仮定しました

電子の軌道が量子化されているということは

当然その電子が持つエネルギーも量子化されていることになります

そしてある軌道の電子がある軌道に移った時に

その軌道のエネルギー差にあたるエネルギーを一個の光子として放出するんだと

そういうふうに考えました

これをボーアモデルと呼んだりしますが

このボーアモデルを用いると水素の発光スペクトルが完璧に説明できるようになりました

この図で示すようにある軌道を占めている電子が

別の軌道を占めるようになった時のエネルギー差というものを計算すると

先ほどの水素のスペクトル線の波長と完璧に一致します

ちなみにこの図には他の線もありますが

水素のスペクトルというのは実は4本だけではなく

目で見えない波長の部分にも何本か線があり

ボーアモデルはそのスペクトルについても完璧に説明することができました

ニールスボーアはこれらの業績によってノーベル賞を受賞しています

ちなみにこのボーアモデルは今となっては正確なモデルではないんですが

原子を量子力学的に考えた初めての例ということでとても有名です

このようにプランクやアインシュタイン、ボーアらが量子化というアイディアで

今まで説明できなかったことが説明できるようになったという例をお話ししてきました

何かしらの量が連続的ではなくとびとび理算的になっているという量子化というアイディアは

今までの常識をひっくり返すような突飛で極端な発想でした

でもその発想によって今まで理由がわからなかった現象を3つも解明してしまったわけなので

やっぱり量子化という考え方は何かの本質を掴んでいるんだろうとそういうことですよね

ということでここまででプランクやアインシュタイン、ボーアといった天才たちが

量子化というアイディアを使って物理学の難問を解決する様子を見てきました

次回ではこの量子化というアイディアが発展し量子力学と呼ばれる学問になる歴史を見ていくことにします

次回動画は概要欄とコメント欄に記載しておくので見てみてください

ということで今回の動画は以上です

このチャンネルでは映画の解説や考察、映像技術の解説、ガジェットレビューや自作PCの話などをしていきますので登録お願いします

それでは次回でお会いしましょう

ご視聴ありがとうございました