電磁波理論とプランクの量子論の大きな違いは、電磁波理論では黒体放射現象や光電効果を説明できないのに対し、プランクの量子論では黒体放射現象と光電効果しか説明できないことである。

融点の高い）物質を加熱すると、まず赤くなり、次に黄色くなり、そして白や青の光を発するようになります。このように加熱された物質を「黒体」と呼び、その結果得られる（物質が発する）放射を「黒体放射」と呼ぶ。しかし、どうしてそうなるのか、電磁波理論では説明できませんが、プランクの量子論ではうまく説明することができます。

カタログ

1.概要と主な違い 2.電磁波理論とは 3.プランクの量子論とは 4.横並び比較～表形式での電磁波理論とプランクの量子論 5.まとめ

電磁波理論は何ですか？

電磁波理論とは、1864年にジェームス・クラーク・マクスウェルが提唱した化学理論である。この理論によると、物質が発する放射線にはいくつかのポイントがある。

これらのポイントは以下の通りです。

• エネルギーはあらゆるものから放射エネルギーという形で常に放出されています。
• 放射線には、電場と磁場という、放射線の経路に垂直に振動する2つの場があります。
• 放射線は波の性質を持っており、光速で伝わるので、電磁波と呼んでいます。
• これらの電磁波は、伝播するために物質を必要としない。

この理論で記述される「波」には、いくつかの特徴がある。波の波長とは、連続する2つの山や谷の間の距離のことです。1秒間にある点を通過する波の数が、波の周波数です。波が1秒間に進む直線距離が速度です。波数とは、1センチメートルの中にある波の数です。

図01：電磁波の波長

しかし、この理論にはいくつかの限界がある。

1. 黒体放射を説明することはできない。
2. また、光電効果を説明するものではありません。
3. 熱容量が固体の温度によって変化することを説明することはできない。
4. さらに、原子の線スペクトルを説明することもできない。

プランクの量子論は何ですか？

プランクの量子論は、1900年にマックス・プランクが提唱した化学の理論である。この理論は、電磁波理論では説明できないことを説明できるので、電磁波理論の修正版のようなものです。この理論の要点は次の通りである。

• 放射エネルギーは不連続に放出・吸収されるエネルギーの塊で、私たちはこれを量子と呼んでいます。
• 各量子のエネルギーは、プランク定数と放射線の周波数の積に等しい。
• 物質が放出または吸収する全エネルギーは、常に量子数の整数になる。

また、電磁波理論では説明できない黒体放射現象や光電効果も説明できる。物質を加熱すると、その原子が熱のエネルギーを吸収して振動し、放射線を出すようになり、さらに加熱すると、より多くの放射線を出すようになるという理論である。そして、物質が発する放射線は、可視域の中で最も低い周波数の赤、次いで黄色となる。

図02：黒体スペクトル

光電効果の説明を考えるとき、まず、光電効果とは何かを理解しましょう。放射線が金属の表面に当たると、金属の表面で電子が放出される。これが光電効果と呼ばれるものです。

図03：光電効果

プランクの量子論によれば、光が表面に当たると、その光放射の量子は表面上の電子に全エネルギーを提供する。したがって、入射放射線のエネルギーが原子核と電子の間の重力に等しければ、電子は表面から剥離し、放出されることになる。

電磁波理論とプランクの量子論の違い

電磁波理論は、1864年にジェイムズ・クラーク・マクスウェルが提唱した化学理論であり、プランクの量子論は、1900年にマックス・プランクが提唱した化学理論である。電磁波理論とプランクの量子論の決定的な違いは、電磁波理論では黒体放射現象や光電効果を説明できないのに対し、プランクの量子論では黒体放射現象と光電効果しか説明できないことである。また、電磁波理論とプランクの量子論のもう一つの違いは、電磁波理論では放射線は連続的であるが、プランクの量子論では放射線は不連続的であることである。

下のインフォグラフィックは、電磁波理論とプランクの量子論の違いを表形式で表したものである。

概要 - 電磁波理論 vs. プランクの量子論

電磁波理論とプランクの量子論は、物質放射の振る舞いを説明するものである。しかし、電磁波理論とプランクの量子論の決定的な違いは、電磁波理論が黒体放射現象や光電効果を説明しないのに対し、プランクの量子論は黒体放射現象と光電効果しか説明しない点である。

引用

1 歌詞「4.2 プランクの量子論」化学図書室、図書室、2016年7月21日入手可能です。