こういう日常生活でおきる現象について「なぜ?」と問いかけることはめちゃくちゃおもしろいですよね(笑)

この能動的な「なぜ?」は大脳辺縁系にアプローチする方法であり能力開発ではとても重要視されています。

ここでは、そんな日常的な疑問の一つである

なぜ紫外線を受けると日焼けをするのか?

について一緒に考えていきます。

この記事を読むことで

  • 紫外線で日焼けする理由
  • 難しそうな量子力学への入り口が見えてくる

ことができるようになります。

日常生活のちょっとした不思議を解決するのは気持ちいものです(笑)

紫外線で日焼けするのは量子力学で説明可能

量子力学というと

「でた、むずかしそうなやつ」

という感想を抱く人も多いとは思いますが、今回はその難しそうな量子力学を簡単にして説明します。

まずは、いったんこの言葉を信じてください(笑)

赤い光は「波」、紫の光は「粒」

まずはこのことについて説明していきます。

結論から言うと、紫光は「粒子の性質」が強いから、皮膚にぶつかると刺激で日焼けするよということです。

光のスペクトル

光のスペクトルのことはご存じの方も多いと思いますが、簡単に説明します。

光も波動であり、振動です。

その周波数によって人間がとらえる色を眼を介して脳で認識します。

可視光(人間が眼で見ることができる光)では

赤色(約800nm)では波長が長い=周波数は少ない

紫色(訳400nm)では波長が短い=周波数は多い

と説明できます。

赤→橙→黄→緑→青→藍→紫

という順でどんどん波長は短くなり周波数が多くなっていきます。

赤よりも周波数が少なくなると「赤外線」となり

紫よりも周波数が多くなると「紫外線」となります。

可視光ではなくなります。

しかし、可視光というのはあくまでも人間での話であり

モンシロチョウが紫外線を認識することができて翅の模様でオスメスを判断しているのは有名だと思います。

光のスペクトル。
波長が長く周波数が少ないと赤色寄りに
波長が短く周波数が多いと紫色寄りに

光のエネルギーと「粒子・波動」

光は周波数が増加して波長が短くなると高エネルギーとなります。

つまり、赤色より紫色の方が高エネルギーということになりますね。

高エネルギー化して波長が短くなると「粒子の性質」が表れ始めます。

つまり、紫色をよりエネルギーを高くした紫外線の場合、

もっと粒子的な性質をもつようになります。

逆に、紫色より赤色の方が低エネルギーであり

低エネルギー化して波長が長くなると「波動の性質」が表れ始めます。

つまり、赤色をよりエネルギーを低くした赤外線の場合、

もっと波動的な性質をもつようになります。

ちょまてよ、なんでエネルギーを高くした光は粒子の性質をもつんだよ?

となるのが普通かもしれませんね(笑)

光を粒子ととらえるきっかけとなった「光電効果」

「光電効果」とは

金属板に紫外線をあてると電子(e-)が飛び出す

ハインリヒ・ヘルツ

という現象のことです。

この現象は以下のように考えられました。

紫外線量を強くすると放出電子の速度も速くなる。

まぁ、普通に考えたらそういう発想になります。

しかし、この考え方は観測結果によって否定されます。

紫外線量を強くしても放出電子の速度は不変である。

ん?紫外線の量を増やしても放出される電子の速度は変わらなかったのです。

さらに以下のような観測結果を導き出しました。

放出電子の速度は「波長」で決定される。

光を「粒子」ではなく「波動」ととらえると、この結果は不可解すぎます。

光を粒子であると仮定する

アルベルト・アインシュタイン

という考え方で光電効果の観測結果をとらえました。

この粒子の性質をもつ光を「光子」と呼びます。

そしてこの考え方を「光量子仮説」といいます。

簡単に説明します。

「光電効果」とは紫外線などの光エネルギーが金属から電子が切り離されて電子が放出されることです。

つまり、電子を切り離すためにはある一定量の光エネルギーが必要になります。

この現象でエネルギーには二種類あります。

  • 光(光子)のもつエネルギー量
  • 金属から電子を切り離すのに必要なエネルギー量
  • 切り離された電子の速度に必要な運動エネルギー

電子を切り離すのに必要なエネルギー量を

光子がもつエネルギー量が上回っていた場合、

光子の余ったエネルギーが切り離された電子の運動エネルギーに転換されて速度が速くなる。

「光エネルギー」-「金属から電子を切り離すのに必要なエネルギー」=「電子の運動エネルギー(放出速度)」

わかりましたか?

光電効果は以下の現象が起きます。

  • 紫外線の振動数が多く波長が短いと放出電子の速度は速い
  • 紫外線のエネルギーが大きいと電子の速度は同じだが電子の量は多くなる

このことを光には粒子の性質もあることをあらわした「光量子仮説」で説明しることができたのです。

それにしても、光が「波」であることが当たり前だった時代に「粒子」という新しい視点でもおを見ることができたアインシュタイン氏にはやはり尊敬です。

真の発見の旅とは、新大陸を探し求めることではなく、

新しい視点でものごとを見ることなのである。

フランスの小説家 マルセル・プルースト
光電効果はビリヤードに似ている

粒子はエネルギーを維持することができる

連続した波は、遠距離を進んでいくとどんどんその波エネルギーが弱まっていきます。

遠くまでそのエネルギーが到達することは難しくなります。

しかし、高エネルギーである粒子は、距離があってもエネルギーが弱まりにくく、

遠くまでそのエネルギーが到達していきます。

粒子の性質が強い紫外線が皮膚に到達すると

高エネルギーの光エネルギーが日焼けをおこします。

一方、よりエネルギーが低い可視光や赤外線などをあびても、

日焼けをすることはありません。

可視光や紫外線の量を増やしても、やけどはおきますが日焼けはしません。

波動は熱をうみますが、物理的な衝撃「ぶつかり刺激」はうまれないので日焼けがおきないのです。

波長によって光の性質「波動 or 粒子」が変化していることが分かります。

光の量だけではなく、波長(エネルギーの高低)も重要な要素なのです。

粒子の性質をもつ「紫外線」はお肌にぶつかって日焼けをおこす

赤外線よりも高エネルギーである紫外線は

粒子の性質をもっており、皮膚にぶつかると粒子の性質である「光子」がぶつかって

皮膚に物理的な衝撃をもたらし「日焼け」という生体現象を引き起こすわけです。

この記事でとても興味深いのは

日焼けという日常生活で起きている現象で量子力学を説明していることにあります。

こういった日常生活でおきている「なぜ?」を説明できるのは

現代物理学である量子力学のおもしろいところですよね。

量子力学といきものの世界は深いですね。

これからも一緒に勉強していきましょう^^

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