20051105　気体と赤外線

　気体が赤外線を吸収するとはどういうことか。空気を構成する酸素や窒素のような他の気体よりも二酸化炭素が赤外線を吸収しやすいと言われている。気体の分子が赤外線を吸収すると言う現象を感覚的に把握するのは難しい。考えてみると気体だけではなく、どんな物でも赤外線を吸収すると熱くなるのというのもよく解らない。何故熱くなるのか。

　赤外線とは熱線である。物が赤外線を吸収すると暖かくなるので熱線と呼ばれるのである。赤外線は電磁波の一種で、電磁波というのは電気と磁気とが交互に変化する状態が伝わる波$${^{*1}}$$と考えられている。電波や光やX線も電磁波の仲間$${^{*2}}$$である。一秒間に電気と磁気とが交互に変化する回数が違うだけだ。電磁波が伝わる速度は真空中ならばどんな場合でも一定$${^{*3}}$$だから交互に変化する間隔、即ち波長が違うだけとも言える。

　一方、物質は全て電気で構成されている。原子核は正の電気を持っており、電子は負の電気を持っている。物は原子で構成されているから、電気で構成されているといえる。電気や磁気は互いに反応し合うので、電気や磁気の波がくれば原子は何らかの影響を受ける。波だから場合によっては原子や分子が揺さぶられると考えてもいいだろう。揺さぶられれば熱を持ったことになる。物と物とを擦り合わせてそれらの物を構成する原子や分子を揺さぶっても熱が発生する。赤外線でも摩擦$${^{*4}}$$でも揺さぶられることには変わりはないので同じ「熱$${^{*5}}$$」が発生していると考えればいいだろう。物が熱を持てば、手で触れたり近づければ暖かいと感じるので、熱を持ったと言うことが判る。因みに原子や分子が振動すれば電気が揺れていることになるので、そこからも電気や磁気の波が出てくることになる。手を近づけるだけで触れなくても瞬時に暖かさが判るのはこの作用である。また物を熱すると熱線を放ったり赤く光ったりする$${^{*6}}$$のもその所為だ。温度を持つ物は必ず電磁波を発していることになる。特殊な物質$${^{*7}}$$だけが出すのではない。

　固体$${^{*8}}$$や液体$${^{*9}}$$の場合は「揺さぶる」という感覚で理解できる。気体の場合、「揺さぶる」ではどうも違和感がある。気体は分子や原子が空間を自由闊達に飛び回っている状態$${^{*10}}$$を指す。気体が熱を持つと言うことはこの飛び回り方が激しくなる$${^{*11}}$$ことだろう。そうなると赤外線を気体に照射すると気体分子が加速されるのだろうか。

　これは考えにくい。電磁波によって気体分子が押し出される理由がない。気体分子が飛び回っている途中で赤外線に当たるとする。通常、原子や分子はそれ自体は電気的に中性になっているはずなので、電磁波は分子や原子の重心の運動に影響を与えることはないだろう。つまり飛び回り方に変化はないはずである。だが赤外線は電磁波なので分子を揺さぶる。気体分子は飛びながら揺さぶられるはずである。揺さぶられている時に別の分子が衝突すれば揺さぶられた勢いが衝突した分子に伝わり分子の速度が上昇する。気体全体でこういったことが繰り返されて分子それぞれの飛び方が激しくなっていくのだろう。気体分子の飛び方が激しくなれば、その気体に手を入れた時、分子が激しく当たるので暖かくなった感じる。

　気体に対して赤外線の照射を停止させるとどうなるか。そのままである。今度は変化する理由がない。温度は下がらないのか。熱と温度とは概念が違う$${^{*12}}$$。熱はエネルギー$${^{*13}}$$なのでエネルギーの出入りがなければ、変化しない。温度はその物質を構成する分子や原子などの粒子の分布状態によって変化するので、気体に何らかの変化$${^{*14}}$$がない限り温度も変化しない。実際、容器に入れた気体の温度が下がるのは容器を通して熱が移動するからで、熱（またはあらゆるエネルギー）の移動が全くない仮想の容器であれば温度は変化しない。

　では気体から電磁波が放射されないのだろうか。前述したように温度を持ったあらゆる物質は電磁波を発する。電磁波はエネルギーを持つので電磁波が放たれればエネルギーが放出されることになる。エネルギーが減れば熱が冷めることになる。ところが気体分子は飛び回っているだけなので電気や磁気が交互に変化する気配がなさそうだ。一体どう考えればいいのか。

*1　大阪大学 | 工学部 応用自然科学科 応用物理学科目
*2　電磁波
*3　19991002　光の速度
*4　20031129　空気の摩擦
*5　Heat (Japanese)
*6　20020825　ヘリウムの発見
*7　トルマリンとは？
*8　solid-b.gif
*9　liq-b.gif
*10　気体の状態
*11　原子力百科事典　ATOMICA
*12　20050730　温度の正体(3)
*13　？を！に...＞解説集＞＞熱と温度
*14　プラズマとは？