波数

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波数と高調波の他の特性との関係を示す図

物理学において波数(または波数)は反復とも呼ばれ[ 1 ]空間周波数です通常の波数は、のサイクル数を長さで割ったものとして定義され、長さ逆数次元を持つ物理量であり、 SI単位のサイクル/メートルまたは逆メートル(m −1 )で表されます角波数は波の位相を時間で割ったものとして定義され、角度/長さの次元とSI単位のラジアン/メートルの量です。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]これらは時間周波数に類似しており、それぞれ通常の周波数は波のサイクル数を時間(サイクル/秒または逆秒)で割ったものとして定義され角周波数は位相角を​​時間(ラジアン/秒)で割ったものとして定義されます。

多次元系において、波数は波数ベクトルの大きさです。波数ベクトルの空間は逆格子空間と呼ばれます。波数と波数ベクトルは、光学、およびX線回折中性子回折電子回折素粒子物理学といった波動散乱の物理学において重要な役割を果たします量子力学的な波動の場合、波数に換算プランク定数を乗じたものが正準運動量となります

波数は空間周波数以外の量を指定するためにも使用できます。例えば、光分光法では、一定の光速を仮定した時間周波数の単位としてよく使用されます

定義

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分光法やほとんどの化学分野で用いられる波数は、 [ 5 ]単位距離あたりの 波長数として定義されます

ここでλは波長である。これは「分光波数」と呼ばれることもある。[ 1 ]これは空間周波数に等しい[ 6 ]

理論物理学では、単位距離あたりのラジアン数として定義される角波数がより頻繁に使用される:[ 7 ]

単位

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分光波数のSI単位はmの逆数で、m -1と表記されます。しかし、特に分光学においては、波数をcgs単位、つまりセンチメートルの逆数またはcm -1表す方が一般的です

古い文献ではカイザーハインリヒ・カイザーにちなんで)という単位が使われることがあり[ 8 ] 、 KまたはKyと略される(1  K = 1  cm −1)。[ 9 ]

角波数は、ラジアン/メートル(rad⋅m −1 )という単位で表すことができますラジアンは無次元ので、上記のように表すことができます。

単位変換

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光の振動数は波数で表されます

,

ここで光速です。したがって、分光波数から周波数への変換は[ 10 ]です

波数はエネルギーの単位としても用いられる。なぜなら、周波数の光子はエネルギーを持つからである。ここで、はプランク定数である。波数を持つ光子のエネルギー

したがって、分光学的波数からエネルギーへの変換は

ここで、 エネルギーはJまたはeVで表されます

複素

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複素値の波数は、複素値の比誘電率 、比透磁率屈折率nを持つ媒質に対して次のように定義できます。[ 11 ]

ここで、k 0は上記のように自由空間波数です。波数の虚数部は単位距離あたりの減衰を表し、指数関数的に減衰するエバネッセント場の研究に役立ちます。

線形媒体における平面波

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線形材料中を正のx方向に伝播する正弦波平面波の伝播係数は[ 12 ]:51 で与えられる。

ここで

  • 位相定数(単位:ラジアン/メートル)
  • 減衰定数(単位:ネパー/メートル)
  • 角周波数
  • x方向の移動距離
  • 導電率シーメンス/メートル)
  • 複素誘電率
  • 複素透磁率

符号規則は、損失媒質中の伝播との整合性を保つために選択されています。減衰定数が正の場合、波はx方向に伝播するにつれて振幅が減少します

波長位相速度表皮深さは、波数の成分と単純な関係があります。

波動方程式において

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ここでは、波長、周波数、そして波数といった波を記述する様々な量が定数であるという意味で、波が正則であると仮定します。これらの量が定数でない場合の議論については、波束を参照してください

一般に、角波数k(つまり波数ベクトル大きさ)は次のように表される。

ここで、 νは波の周波数、λは波長、ω = 2πν波の角周波数、 v pは波の位相速度です。波数と周波数の関係(またはより一般的には周波数と波数の関係)は分散関係として知られています。

真空中の電磁波が光速で伝播する特殊なケースでは、 kは次のように表されます。

ここで、 E波のエネルギー、 ħ換算プランク定数cは真空中の光速です。

物質波、例えば電子波の特殊なケースでは、非相対論的近似(自由粒子の場合、つまり粒子に位置エネルギーがない場合)では次のようになります。

ここで、p粒子の運動量、 m粒子の質量、 E粒子の運動エネルギー、 ħは換算プランク定数です

波数は群速度を定義するためにも使用されます

分光学において

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分光学において、「波数」センチメートルの逆数、cm⁻¹ は、時間周波数(ヘルツ)を真空中の光速(通常はセンチメートル毎秒、cm⁻¹ で 割ったものを指します

周波数ではなく分光波数を使用する歴史的な理由は、干渉計で1cmあたりの縞を数えて原子スペクトルを研究するときに便利な単位だからです 。分光波数は真空中の光の波長の逆数です。

これは空気中でも本質的に同じままであり、そのため分光波数は、干渉計が空気中または真空中で動作している場合、回折格子からの散乱光の角度と干渉計内の縞間の距離に直接関係しています。このような波数は、1880年代にヨハネス・リュードベリの計算で初めて使用されました。1908年のリュードベリ・リッツ結合原理も波数で定式化されました。数年後、スペクトル線は量子論においてエネルギー準位間の差として理解されるようになり、エネルギーは波数、つまり周波数に比例します。しかし、分光データは周波数やエネルギーではなく、分光波数で表され続けました。

例えば、原子水素の発光スペクトルの分光波数は、リュードベリの式で表されます

ここで、Rリュードベリ定数n in fはそれぞれ初期レベルと最終レベルの主量子数です(放出の場合、 n iはn fよりも大きくなります)。

分光波数はプランクの法則によって光子あたりのエネルギー Eに変換できる

光の波長に変換することもできます。

ここで、nは媒質屈折率です。光は異なる媒質を通過すると波長が変化しますが、分光波数(つまり周波数)は一定のままであることに注意してください。

空間周波数はしばしば「波数」で記述されるが、これは名称をCGS単位cm −1自体に誤って転記しいる[ 13 ]

参照

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参考文献

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  1. ^ a b ISO 80000-3:2019 量と単位 – パート3: 空間と時間.
  2. ^ ロドリゲス、A.;サルディーニャ、RA;ピタ、G. (2021)。環境物理学の基本原則。シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。 p. 73.ISBN 978-3-030-69025-02022年12月4日閲覧
  3. ^ Solimini, D. (2016).地球観測の理解:リモートセンシングの電磁気的基礎. リモートセンシングとデジタル画像処理. Springer International Publishing. p. 679. ISBN 978-3-319-25633-72022年12月4日閲覧
  4. ^ Robinson, EA; Treitel, S. (2008).デジタルイメージングとデコンボリューション:地震探査と処理のABC . 地球物理学的参考文献. 探査地球物理学会. p. 9. ISBN 978-1-56080-148-12022年12月4日閲覧
  5. ^ Gold, Victor編 (2019). IUPAC化学用語集:ゴールドブック(第4版). ノースカロライナ州リサーチトライアングルパーク:国際純正応用化学連合(IUPAC). doi : 10.1351/ goldbook.w06664
  6. ^ ヘクト、ユージン (2017). 「2.2 高調波」.光学(第5版). ボストン: ピアソン・エデュケーション. p. 16. ISBN 978-0-13-397722-6
  7. ^ Weisstein, Eric W. 「波数 -- Eric Weisstein's World of Physics より」scienceworld.wolfram.com2019年6月27日時点のオリジナルよりアーカイブ2018年3月19日閲覧
  8. ^ フランソワ・カルダレッリ (1997). 『科学的単位変換 - メートル法化の実践ガイド』 p. 209.
  9. ^ Murthy, VLR; Lakshman, SVJ (1981). 「コバルトアンチピリン錯体の電子吸収スペクトル」. Solid State Communications . 38 (7): 651– 652. Bibcode : 1981SSCom..38..651M . doi : 10.1016/0038-1098(81)90960-1 .
  10. ^ 「波数」ブリタニカ百科事典. 2015年4月19日閲覧
  11. ^ [1]、式(2.13.3)
  12. ^ ハリントン、ロジャー F. (1961)、「時間調和電磁場(第1版)」、マグロウヒル、ISBN 0-07-026745-6 {{citation}}: ISBN / Date incompatibility (help)
  13. ^ 例えば、
  14. ^ Hollas, J. Michael (2004).現代の分光法. John Wiley & Sons. p. xxii. ISBN 978-0470844151
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  • ウィキメディア・コモンズの波数関連メディア
    波数と高調波の他の特性との関係を示す図

    物理学において波数(または波数)は反復とも呼ばれ[1]空間周波数です通常の波数は、のサイクル数を長さで割ったものとして定義され、長さ逆数次元を持つ物理量でありSI単位のサイクル/メートルまたは逆メートル(m −1 ) で表されます。角波数は波の位相を時間で割ったものとして定義され、長さあたりの角度の次元とSI単位のラジアン/メートルの量です。 [2] [3] [4]これらは時間周波数に類似しており、それぞれ通常の周波数は波のサイクル数を時間で割ったもの (サイクル/秒または逆秒) として定義され、角周波数は位相角を​​時間で割ったもの (ラジアン/秒 ) として定義されます。

    多次元系において、波数は波数ベクトルの大きさです。波数ベクトルの空間は逆格子空間と呼ばれます。波数と波数ベクトルは、光学、およびX線回折中性子回折電子回折素粒子物理学といった波動散乱の物理学において重要な役割を果たします量子力学的な波動の場合、波数に換算プランク定数を乗じたものが正準運動量となります

    波数は空間周波数以外の量を指定するためにも使用できます。例えば、光分光法では、一定の光速を仮定した時間周波数の単位としてよく使用されます

    定義

    分光学やほとんどの化学分野で使用される波数[5]は、単位距離あたりの 波長の数として定義されます

    ここでλは波長です。これは「分光波数」と呼ばれることもあります。[1]これは空間周波数に等しくなります。[6]

    理論物理学では、単位距離あたりのラジアン数として定義される角波数がより頻繁に使用される:[7]

    単位

    分光波数のSI単位はmの逆数で、m -1と表記されます。しかし、特に分光学においては、波数をcgs単位、つまりセンチメートルの逆数またはcm -1表す方が一般的です

    古い文献ではカイザーハインリヒ・カイザーにちなんで)という単位が使われることがあり[8] 、 KまたはKyと略される(1  K = 1  cm −1)。[9]

    角波数は、ラジアン/メートル(rad⋅m −1 )という単位で表すことができますラジアンは無次元ので、上記のように表すことができます。

    単位変換

    光の振動数は波数で表されます

    ,

    ここで光速は[10]である。したがって、分光波数から周波数への変換は[10]である

    波数はエネルギーの単位としても用いられる。なぜなら、周波数の光子はエネルギーを持つからである。ここで、はプランク定数である。波数を持つ光子のエネルギー

    したがって、分光学的波数からエネルギーへの変換は

    ここで、 エネルギーはJまたはeVで表されます

    複素

    複素数値波数は、複素数値の比誘電率 、比透磁率屈折率nを持つ媒質に対して次のように定義できます。[11]

    ここで、k 0は上記のように自由空間波数です。波数の虚数部は単位距離あたりの減衰を表し、指数関数的に減衰するエバネッセント場の研究に役立ちます。

    線形媒体における平面波

    線形材料中を正のx方向に伝播する正弦波平面波の伝播係数は[12]で与えられる:51 

    ここで

    • 位相定数(単位:ラジアン/メートル)
    • 減衰定数(単位:ネパー/メートル)
    • 角周波数
    • x方向の移動距離
    • 導電率シーメンス/メートル)
    • 複素誘電率
    • 複素透磁率

    符号規則は、損失媒質中の伝播との整合性を保つために選択されています。減衰定数が正の場合、波はx方向に伝播するにつれて振幅が減少します

    波長位相速度表皮深さは、波数の成分と単純な関係があります。

    波動方程式において

    ここでは、波長、周波数、そして波数といった波を記述する様々な量が定数であるという意味で、波が正則であると仮定します。これらの量が定数でない場合の議論については、波束を参照してください

    一般に、角波数k(つまり波数ベクトル大きさ)は次のように表される。

    ここで、 νは波の周波数、λは波長、ω = 2πν波の角周波数、 v pは波の位相速度です。波数と周波数の関係(またはより一般的には周波数と波数の関係)は分散関係として知られています。

    真空中の電磁波が光速で伝播する特殊なケースでは、 kは次のように表されます。

    ここで、 E波のエネルギー、 ħ換算プランク定数cは真空中の光速です。

    物質波、例えば電子波の特殊なケースでは、非相対論的近似(自由粒子の場合、つまり粒子に位置エネルギーがない場合)では次のようになります。

    ここで、p粒子の運動量、 m粒子の質量、 E粒子の運動エネルギー、 ħは換算プランク定数です

    波数は群速度を定義するためにも使用されます

    分光学において

    分光学において、「波数」センチメートルの逆数、cm⁻¹ は、時間周波数(ヘルツ)を真空中の光速(通常はセンチメートル毎秒、cm⁻¹ で 割ったものを指します

    周波数ではなく分光波数を使用する歴史的な理由は、干渉計で1cmあたりの縞を数えて原子スペクトルを研究するときに便利な単位だからです 。分光波数は真空中の光の波長の逆数です。

    これは空気中でも本質的に同じままであり、そのため分光波数は、干渉計が空気中または真空中で動作している場合、回折格子からの散乱光の角度と干渉計内の縞間の距離に直接関係しています。このような波数は、1880年代にヨハネス・リュードベリの計算で初めて使用されました。1908年のリュードベリ・リッツ結合原理も波数で定式化されました。数年後、スペクトル線は量子論においてエネルギー準位間の差として理解されるようになり、エネルギーは波数、つまり周波数に比例します。しかし、分光データは周波数やエネルギーではなく、分光波数で表され続けました。

    例えば、原子水素の発光スペクトルの分光波数は、リュードベリの式で表されます

    ここで、Rリュードベリ定数n in fはそれぞれ初期レベルと最終レベルの主量子数です(放出の場合、 n iはn fよりも大きくなります)。

    分光波数はプランクの法則によって光子あたりのエネルギー Eに変換できる

    光の波長に変換することもできます。

    ここで、nは媒質屈折率です。光は異なる媒質を通過すると波長が変化しますが、分光波数(つまり周波数)は一定のままであることに注意してください。

    空間周波数はしばしば「波数」で記述されるが、これは量の名称をCGS単位cm −1自体に誤って転記したものである。[13 ]

    参照

    参考文献

    1. ^ ISO 80000-3:2019 量と単位 – パート3:空間と時間
    2. ^ ロドリゲス、A.;サルディーニャ、RA;ピタ、G. (2021)。環境物理学の基本原則。シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。 p. 73.ISBN 978-3-030-69025-02022年12月4日閲覧
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    6. ^ ヘクト、ユージン (2017). 「2.2 高調波」.光学(第5版). ボストン: ピアソン・エデュケーション. p. 16. ISBN 978-0-13-397722-6
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    9. ^ Murthy, VLR; Lakshman, SVJ (1981). 「コバルトアンチピリン錯体の電子吸収スペクトル」. Solid State Communications . 38 (7): 651– 652. Bibcode :1981SSCom..38..651M. doi :10.1016/0038-1098(81)90960-1.
    10. ^ 「波数」.ブリタニカ百科事典. 2015年4月19日閲覧
    11. ^ [1]、式(2.13.3)
    12. ^ ハリントン、ロジャー F. (1961)、「時間調和電磁場(第1版)」、マグロウヒル、ISBN 0-07-026745-6 {{citation}}: ISBN / Date incompatibility (help)
    13. ^ 例えば、
      • Fiechtner, G. (2001). 「2光子励起における吸収と無次元重なり積分」. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer . 68 (5): 543– 557. Bibcode :2001JQSRT..68..543F. doi :10.1016/S0022-4073(00)00044-3
      • US 5046846、Ray, James C. & Asari, Logan R.、「組成の分光比較のための方法および装置」、1991年9月10日公開 
      • 「ボソンピークとガラス形成」. Science . 308 (5726): 1221. 2005. doi :10.1126/science.308.5726.1221a. S2CID  220096687.
    14. ^ Hollas, J. Michael (2004). 現代の分光法. John Wiley & Sons. p. xxii. ISBN 978-0470844151
    • ウィキメディア・コモンズにおける波数関連メディア
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