光の測り方

最近,LED電球が電気屋で増えてきた.
昼のワイドショーとかで,〇〇W白熱電球が△△ルーメン相当とか言ってるけど,そもそもルーメンってなんだよ.

光の単位って高校で習わないから全然分からない.
カンデラ?ルーメン?ルクス?
というわけで,調べてみた.まとめてみた.

カンデラ(cd)
周波数540\times 10^{12}{\rm Hz}の単色放射を放出し、所定の方向におけるその放射強度が\dfrac{1}{683} {\rm W/str}である光源の、その方向における光度

ルーメン(lm)
全ての方向に対して1{\rm cd}の光度を持つ標準の点光源が1{\rm str}の立体角内に放出する光束

ルクス(lx)
1{\rm m^2}の面が1{\rm lm}の光束で照らされるときの照度

(Sourced by Wikipedia)

イメージとしては,電球から光子がピュンピュン飛んでる.

電球全体から,いくつの光子が飛んでるかを表すのがカンデラ.

カンデラが同じ光でも裸電球のように四方八方に光が出て行く時と,懐中電灯のように絞り込んであって光の出る範囲を集中させた時とでは人が感じる「明るさ」は違う.これがルーメン.裸電球より懐中電灯の方がルーメンは大きい.

ルクスはどれだけ照らされているかを示す明るさで,照らされる面にどれだけ光がとどいているかを表している.ルーメンが同じ光に照らされた場合でも,光源から近いと明るいし遠くなると暗くなる.しかも,ルクスは人間の目の視感度で補正してある値なので,光源が単色光(単一の波長からだけなる光)なら簡単だが,ほとんどの光源は単色光ではないので計算は複雑になる.

そして,こうした光の単位はいずれも心理物理量と呼ばれる物理量で,「人間の感覚」に立脚した物理量であるとして,物理量としては二流みたい.
カンデラもルーメンもルクスも人間の可視光領域での光の量を考えるので,本当に自然科学として光の量を扱うときは”光量子束密度”を使うらしい.

光量子束密度(Photon Flux Density)は,1秒あたり,1m^2あたりの光子の数.個数の単位は化学みたいに{\rm mol}を使うらしい.
真夏の直射日光が,およそ2000\mu {\rm mol} m^{-2} s^{-1} 程度になり,曇り空だとおよそ50\mu {\rm mol} m^{-2} s^{-1} ぐらい,学校の教室の蛍光灯の下では10\mu {\rm mol} m^{-2} s^{-1}ぐらいらしい.

人間視点の物理量があることを知った.そりゃ,高校では教えんわな.
光量子束密度とかも,光が量子であることから説明せんとあかんから大学レベルだし…

二重スリットを挟んだら光量子束密度はどれぐらい減るんだろう.スリット以外で光子が通れないのに加えて,スリットで干渉するから光子が観測される範囲が広がって単位面積あたりに観測される光子は減るはず.

あれこれ考えてたら,点状スリットの干渉縞ってどんなだろう?って疑問に思った.今度元気なときに考えよう.

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