大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. 波長と色との関係について、黄色を示すのは580nm付近、青色を示すのは450nm付近である。この波長の数値と色を結びつけることが重要である。蛍光灯は成分として水銀が含まれるため、取り替えが進まれている。LEDはバンドギャップが大きく必要な電圧が多いというデメリットがある。白色LEDの色の出し方は赤色＋青色＋緑色LEDの組み合わせと青色LED＋黄色蛍光体の2パターンがある。 グループワークではイオンの移動度から泳動速度を求めた。BrO3-の移動速度を求めた。イオン移動度は5.0×10^4である。イオン伝導率は68.0であったため、1mol/Lの導電率は0.0680A・V/cmと計算できるよって。速度は7350cm/sと計算できた。 事後学習では光合成とチラコイド膜について調べた。チラコイド膜は太陽光をエネルギーとして、内部で電荷を分離させ電子とホールの生成を行っている。電子の移動を通じてプロトン濃度の勾配と膜電位が生じて、この合計がプロトン駆動力と言われる一種のエネルギーになる。このエネルギーを用いてATP合成酵素がADPとリン酸からATPをせ合成している。
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 蛍光灯について、真空放電すると、IR２の発電が起こる。この熱を利用して熱電子放出が起こり、電気が流れるようになる。このような原理を利用した発電体のことをグローランプという。 LEDは乾電池1個では流れない。なぜなら、乾電池1個ではLEDを点灯させるのに必要な電圧が足りないからである。電圧が高い理由は基底状態と励起状態の差：バンドギャップが大きいからである。 白色LEDは加法混色の原理によって作られる。具体的には青色のLEDに黄色?赤色を発する蛍光体を合わせたり、RGBのLEDを合わせたりして作られている。 電気を帯びたものが動く原理は①対流②拡散③泳動の3つである。それぞれ位置エネルギー、運動エネルギー、電気エネルギーにより動く。電気泳動について、コロイド分散液中のコロイド粒子の移動のような固相移動の起こる場合をいう。タンパク質もコロイドなので、この分離にも利用される。コロイド粒子が散乱する身近な例は雲であり、それよりも小さい粒子で起こる散乱はレイリー散乱と呼ばれ、身近な例は青い空である。 ②【発表の要旨】 演題 イオンの移動度から泳動速度を求めよう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 電気泳動時におけるイオンの移動速度：ｍ/ｓは（移動度：ｍ＾２/Ｖ・ｓ）（水素イオンの電気×（電場の強さ：V/ｍ）で求められる。水素イオンの場合32.6×10＾－２×1000=326ｍ/ｓである。 ③【復習の内容】 トピック名 色中心について調べてよう 色中心は、本来は透明な物質が着色して見える現象の中心を担う。具体的には結晶格子に見られる欠陥のことで、電子や正孔が捕獲されることで生じる。この原理により特定の波長を吸収・放出するようになり、蛍光体などに応用されている。 黄色が見えるということは青色（450nm付近、6.06×10＾14Hz）の光を吸収して、補色として黄色（570nm付近、5.08×10＾14Hz）の光を放出する。 振動数（１/ｓ）は（真空中の光速：3.0×10＾８ｍ/ｓ）÷（光の波長：ｍ）で求められる。例えば波長380nmの光の振動数は7.89×10＾14Hzとなる。接頭語を用いるとテラ：10＾12を用いて789THzと表される。
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A. 光合成は、チラコイド膜内で光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である。光化学系Ⅱでは水が分解されて電子と酸素が生成され、電子は光化学系Ⅰを経てNADP?を還元しNADPHを生成する。同時にプロトン勾配が形成され、ATP合成酵素によってATPが合成される。これらのエネルギー分子はカルビン回路で糖合成に利用される。 二酸化チタン（TiO?）は、紫外線照射により電子と正孔を生成し、水を酸化還元して酸素と水素を発生させる光触媒である。効率的な反応には、TiO?と金属電極（例：白金）とのオーミック接触が重要であり、電子の移動がスムーズに行われることで水素生成が促進される。ショットキー接触では反応効率が低下するため、界面設計が鍵となる。 電解質中のイオンは電場によって移動し、その速度は移動度と電場強度に比例する。導電率はイオンの移動度と濃度に依存し、プロトンやOH?は特に高い移動度を示す。太陽電池では、pn接合に光が当たることで電子と正孔が生成され、空乏層を通じて電流が発生する。これは光起電力効果に基づき、再生可能エネルギーの中核技術として広く利用されている。
A.①白色LEDの主流は、青色LEDに黄色蛍光体を組み合わせる方式である。これは青色LEDの光を黄色蛍光体に当てることで、一部が黄色に変換され、青と黄色の光が混ざることで人の目には白色に見える仕組みである。この方式は構造がシンプルで、発光効率が高く、コストも低いため、照明用途で広く使われている。 一方、RGB方式では、赤・緑・青の3つのLEDを同時に点灯させることで白色を作る。色の調整によって多彩な色表現が可能で、主にディスプレイやフルカラー表示装置に使われるが、照明としてはあまり一般的ではない。また、LEDはある一定以上の電圧がかからないと点灯せず、この電圧は発光する色によって異なる。 今回のグループワークは、イオンの移動度から泳動速度を求めようである。 ②演題はイオンの移動度から泳動速度を求めようである。グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、平方誠二郎、三好駿斗、藤森隼也、須藤春翔であり、役割は調査係。 水素イオンの泳動度とモル導電率からファラデー定数を求めた。 ③私は、蛍光体の材料と発光特性について調べた。 青色LEDの光を黄色の蛍光体に当てることで白色を作る方式では、蛍光体の材料が重要な役割を果たしている。主に使われるのはイットリウム、アルミニウム、ガーネットという無機蛍光体である。この物質は青い光を受けると、黄色の光を発する。青色と黄色が混ざることで、人の目には白く見える。これらは安定性や発光効率が高く、長寿命で熱にも強いため、照明用LEDに広く利用されている。また、蛍光体の粒子の大きさや分布を調整することで、光の色味もコントロールできる。照明の用途に応じて、暖かみのある白色や青白い光を作ることも可能であり、蛍光体の設計はLEDの性能や使い心地を大きく左右する重要な技術である。これらの事が調べて分かった。
A.①14回目では、電球や色について学んだ。イギリスでスワンという人物が電池を発明し、次いで、エジソンが仕事用の電池を開発した。白熱電球は、東芝が日本初である。また、色中心、別名カラーセンターという言葉を学び、蛍光材料を作る工程において、色中心をどうするのかということについて調べた。蛍光材料の仕組みについては、イオン結晶中の格子欠陥に特定の波長が吸収されて、色を帯びることであった。蛍光マーカーについても学び、励起波長と検出波長では結構波長が違うことが分かった。 ②グループワークでは、イオンの移動度から泳動速度を求めようというテーマをもとにイオンを水素イオンに決定し議論を行った。まず、水素イオンの移動度が32.6×104cm2/vsであることが分かった。そして、導電率が315S/cm/(eq/cm3)であることもわかった。ここまでしか求めることができなかったが、これ以降に1mol/Lの導電率を求めたり、電場を求めたりしたら、イオンの移動度から泳動速度を求めることができるのではないかと考えた。時間がなくてここまでの方針しか考えることができなかった。 ③授業で色中心について触れていたので、色中心についてまとめた。色中心とは、結晶中において、欠陥によって電子が閉じ込められ、光を吸収するようになった部分のことをいう。これが、色の原因になる。例としてF中心を挙げると、結晶中の陰イオンが欠けた場所に自由電子が捕まると、この電子が可視光の一部を吸収し、結晶が黄色っぽく見える仕組みである。F中心の他にもピンク色のV中心や無色?淡色のH中心などがある。放射線を照射したときや高温加熱、結晶の塑性変形した際に色中心が出来上がる。
A.①本講義では、蛍光色の発色にかかわる色中心についての学んだ。これは結晶中の毛感が光を吸収し、特定の色を示す現象で蛍光の発生源にもなる。傾向は通常、短波長の光を吸収し、より長波長の光として放出される。また、白色LEDの作り方には、青色LEDに黄色蛍光体を組み合わせて白を作る方法と、赤・緑・青の光を組み合わせる三原色方程式があることも学んだ。さらに電気の影響による物質の移動減少として、液体が細孔を通じて動く「電気浸透」、微粒子が溶液中を移動する「電気泳動」という異なるプロセスについても理解を深めた。 ②グループワークでは、イオンの移動速度から特移動速度を求めることについて話し合った。グループではナトリウムイオンを選び、移動速度と極限当量イオン導電率と1mol/Lの導電率を調べた。 ③極限当量イオン伝導率とはイオンが非常に希薄な溶液中で示す、1molあたりのイオンの電気伝導率の最大値のことである。
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A.①水銀ランプの仕組みについて押さえた。まず、水銀に高電圧をかけると紫外線を放出する。しかし、それだけでは目に見えないため、蛍光灯の中に色中心と呼ばれる特定の波長を吸収して色を発光する欠陥格子、蛍光体を入れ発光させている。白色LEDの作り方として、RGB混色方式がある。それは色の三原色である赤、緑、青を混ぜることにより白色を作る方法である。そこで青色LEDがなければ白色LEDもできなかったため青色の重要性、また作るのが非常に難しいことも学んだ。 ② アルカリ電池において、Zn??とMn??の泳動速度をそれぞれのイオンの移動度と電場の強さから求めた。以下の式を用いて行った。v = u × E、よって、25℃における移動度はZn??は、7.06 × 10?? m?/V?s 、Mn??は6.95 × 10?? m?/V?sとなり、電場の大きさを100V/mと仮定すると泳動速度はZn??は7.06 × 10?? × 100 = 7.06 × 10?? m/s 、Mn??は6.95 × 10?? × 100 = 6.95 × 10?? m/s となった。 ③ 格子欠陥に関してより詳しく復習した。欠陥には固有欠陥と外因性欠陥とがあり、前者は純粋な物質に見られ、後者は不純物の存在に基づく単一の位置に生ずる点欠陥と複合欠陥が区別される。格子が崩れると固体のエンタルピーが上昇するため、欠陥は吸熱的である。しかし、欠陥は格子に不規則性をもたらし、エントロピーが増大するためT＞0の時に限りギブズ自由エネルギー変化は負になり欠陥は自発的に進行することも分かった。
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A.①豆電球のフィラメントは何でできてるかな。そうタングステン。黒体放射とは温度が上がると物質から光が出ることでタングステンもこの黒体放射が行われているよ。ほかにも熱電子放出で光を出す方法もあるんだ。LEDはどうだろう。調べてみよう。ところでLEDは2本乾電池が必要なんだけど、なんでか分かるかな。電圧が必要だから。 ②「イオンの移動度から泳動速度を求めよう」グループ名：Fe 向田、山根、山川 役割：調査 BrO3-を選んだ。臭素酸イオンの移動度は5.0×10^4cm2/Vsである。表2.3より水溶液中の臭素酸イオンのイオン導電率は48.2 S cm2/eqである。1mol/Lの導電率は0.0482 S/cm=A/cm2/(V/cm)である。よって1mA/cm2のときの電場は0.021V/cmで、臭素酸イオンのイオン泳動速度は1050cm/sとなる。 ③チラコイド膜は葉緑体やシアノバクテリアの内膜系で、クロロフィルを含み光合成の電子伝達の場となっている扁平な膜胞である。チコライド膜上には光化学系Ⅰと光化学系Ⅱと呼ばれる２つの光エネルギーを捕集する反応径がある。光エネルギーを受け取った光化学系Ⅱではクロロフィルから電子が飛び出して電子伝達系に流れる。この時に電子が不足する場合、水を分解したときの電子で補充される。チコライドで光エネルギーを使ってATPを合成する過程を光リン酸化という。
A.①第十四回目では色中心（カラーセンターとは）は蛍光体を設計するうえでイオン中の格子欠陥に波長が吸収されて色が見られるようになり、発色された色が蛍光材料の発酵起点になる蛍光体は短い波長からは長い波長へとなることや、白色LEDは青色LEDとその補色である黄色蛍光体の組み合わせで白色を得る方法と赤と緑と青の光の三原色を組み合わせる方法があることを学びました。また界面導電現象として多孔質体中の電解液の移動のような液相移動が起こる場合を電気浸透といい、コロイド分散液中のコロイド粒子の移動のような固相移動の起こる場合を電気泳動と呼ぶことを知りました。 ②ワークショップではイオンの移動度から得移動速度を求めることについて話し合いました。グループ内では水素イオンを選び、そこから水素イオンの移動度、導電率、電場を用いて途中までの計算を行いました。 ③授業の発展として光と波長の関係について調べました。可視光は約380?780 nmの波長の範囲にあり、波長によって見える色が異なります。短い波長（約400 nm前後）は紫や青に見え、長い波長（約700 nm前後）は赤に見えます。虹の色の順番がこの波長の違いを示しています。また、光の三原色である赤・緑・青の組み合わせによってさまざまな色が表現されるのも、異なる波長の光が目の網膜に与える刺激の違いによるものです。
A. 講義では、電球の仕組みを入り口として、光エネルギーの変換効率について学んだ。白熱電球は、電気エネルギーの多くを熱として失ってしまい、光として利用できる割合はごくわずかである。これに対して、蛍光灯やLEDライトはエネルギー効率が高く、発光の仕組みも異なる。特にLEDでは、p型・n型半導体の接合部で電子と正孔が再結合することで発光が起こる。この過程における蛍光体の役割や、色中心、格子欠陥、励起波長といったキーワードも登場し、光の性質と物質との関係について理解を深めた。 私たちのグループでは、ナトリウムイオンの電気泳動に着目し、その移動度と導電率を理論的に求める活動を行った。一定の電場下でナトリウムイオンがどの程度速く移動するかを考え、そこから導電率との関係を考察した。イオンの移動度は電解質溶液中での伝導性を左右する重要な要因であることが理解できた。 全体を通して、身の回りにある「光」という現象が、物理・化学・電気といった多分野にまたがる複雑な仕組みの上に成り立っていることを実感した。白熱電球やLEDといった発光技術の違いから始まり、蛍光体の構造、イオンの動き、さらには光の散乱現象に至るまで、それぞれの内容がつながりを持って理解ができた。
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A.前回は色の波長などについて授業をした。色は光の波長によって変わり400nm位で青、500nm位で緑、600nm位で赤になる。周波数は500THz周辺である。λ＝c/fを使って波長から周波数への換算を行った。光のエネルギーはE＝hνで表されることも学んだ。蛍光の仕組みは光を吸収して特定の波長で放つことで発色している。 この授業での演題はイオンの移動度から泳動速度を求めようだった。共同著者は三好、平方、山口、須藤、藤森であった。私たちの班ではウエブクラスの例を参考にH＋(ut)0から（λｔ）０を求めてその値を用いることでイオンの泳動速度であるＦを求めた。 復習では以下の内容を行った。太陽光を利用した水の光触媒分解は、半導体光触媒が光吸収で電子・正孔対を生成し、水の還元でH?、酸化でO?を生成する技術である。代表的なTiO?は紫外光のみ活性だが、ドープや助触媒添加で可視光応答や電子?正孔分離効率向上が図られる。現在、可視光利用率向上や長期安定性確保、光電変換効率改善が実用化に向けた課題であり、安価かつスケールアップ可能な合成法や耐久性評価が今後重要視される。
A.""【講義の再話】 エネルギーの移動と物質の移動には、その濃度が関わってくる。濃度を考える上では、エントロピーと拡散現象を考える必要がある。 ファラデーの式、ターフェルの式をグラフで表してみる。 イオンの移動には対流、拡散、泳動の3種類がある。イオンの泳動速度を求めてみる。イオンの泳動速度は、イオンの極限当量イオン導電率に電場をかけて計算することができる。""
A. 黒体放射とは、黒体が放出する熱放射である。熱した物質や恒星の発する光が、比較的温度が低いときは赤っぽく、温度が高いほど青白くなる理由は、黒体放射の温度特性によるものである。波長からν＝c/λの式で振動数が求められる。波長は青が460?500、緑が500?570、赤が610?780である。暗い部屋に差し込む日光の中のホコリや、夕焼け空の光の筋、映画館のプロジェクターの光などのチンダル現象、空が青く見えるレイリー散乱がある。 演題は「イオンの移動度から泳動速度を求めよう」、グループ名はなし、共同著者は山口琉夏、竹中呉羽、植村研ラエル、私は調査を担当した。水素イオンを選んだ。H?の移動度32.6×10?cm?/Vs、導電率が315s/cm、1mol/L×導電率＝0.315s/cm＝A/cm?となる。 復習として、LEDの発光原理について述べる。LEDは、半導体に電圧を加えることで電子と正孔が再結合し、その際に発生するエネルギーが光として放出される現象を利用して発光する。使用する半導体材料によって発光色が変わるのも特徴である。電力消費が少なく長寿命で、照明や表示装置など幅広く使われている。小さな構造で光を生み出す仕組みに驚き、技術の進歩を実感した。
A.1/講義の再話：「光合成」 光合成は、植物が太陽光を利用して水と二酸化炭素から有機物を合成する反応である。電気化学的に見ると、これは光エネルギーを使って電子を励起し、それを移動させることで酸化還元反応を進めるプロセスである。その中心的な場が、葉緑体の中にあるチラコイド膜である。 チラコイド膜には光化学系II（PSII）と光化学系I（PSI）という2つのタンパク質複合体が存在し、それぞれが異なる波長の光を吸収して電子の励起と輸送を担っている。まずPSIIで光を受けたクロロフィル分子が電子を放出し、その電子は電子伝達系を経てPSIへと送られる。このとき、水の分解反応（光分解）が起こり、水分子から電子を取り出すことで酸素が発生する。 2/発表の要旨：「イオンの移動度から泳動速度を求めよう」 私たちはプロトンを選んだ。プロトンは18℃ではu=3.26x10^5(cm^2/v^-1.s^-1). そしてE=J/K=0.001/0.1=0.01 V/cm. ただし、v=E.r=0.01x3.26x10^5=3.26x10^3 (cm/s)となった。 3/復習の内容： 太陽光電池、いわゆるソーラーパネルは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。その基本的な原理は光起電力効果に基づいている。もっとも広く使用されているのはシリコン系太陽電池であり、p型半導体とn型半導体の接合部を利用して電気を取り出す。 太陽光が半導体に当たると、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子が電子を励起し、価電子帯から伝導帯へ移動させる。すると自由電子と正孔（ホール）の対が生成される。pn接合部では内部電界が存在しており、この電界が電子をn側に、ホールをp側に引き寄せることで、電荷の分離が行われる。その結果、外部回路に電子が流れ、電流が発生する。
A.第14回自然との共生ーバイオと光ーでは、第1バイオや光との共生をテーマに、様々な発光・散乱現象について学習した。電球は、内部を真空やアルゴンガスで満たし、フィラメントの黒体放射によって光を発生する。一方、蛍光灯は水銀の入った管の中で放電により紫外線を生み、その紫外線が蛍光体に当たって可視光が発生する仕組みである。蛍光体は短波長の光を長波長に変換して発光する能力があり、イオン結晶中の格子欠陥などが色の起点として働く。黄色の蛍光マーカーでは、紫外線（380nm）が緑（560nm）に変換され、その現象を確認した。最新の白色LEDは青色LEDに黄色や赤、緑の蛍光体を組み合わせて白色を実現している。また、光合成や光触媒、コロイドの電気泳動、雲のミー散乱や空のレイリー散乱など多様な光現象も学んだ。グループワークでは、これらの知識を応用事例として調査し、日常の製品や自然現象の背後にある科学の原理への理解を深めた。
A. アメリカでは、エジソンが白熱電球の特許を買い占めたため、その普及が遅れたという歴史がある。また、ガラスと金属を接合する際に隙間ができるのは避けられない問題だ。色中心とは、透明な物質の格子欠陥が原因で、局所的な電位が生じる現象である。これにより、特定の波長の光が吸収されて物質が着色して見える。この色中心は、発光の起点となることもある。たとえば、黄色い蛍光ペンの場合、励起波長は570～585nm、検出波長は560nmだ。振動数は、V=c/λ の式で計算でき、波長380nmでは約789THz、560nmでは約535THzとなる。蛍光灯には水銀が使われているが、LEDは異なる特性を持つ。LEDを点灯させるには一定の電圧が必要であり、そのため電池を2個直列につなぐ必要がある。LEDの材料には、大きなバンドギャップを持つ半導体が使用されている。特に白色LEDは、主に青色LEDと蛍光体を組み合わせて白色光を作り出している。電気泳動は、界面を挟んで異なる相が相対的に移動する現象、界面動電現象の一種である。特に多孔質体中の電解液の移動のような液相移動が起こる。光の散乱には、ミー散乱とレイリー散乱がある。白い雲はミー散乱によって、青い空はレイリー散乱によって生じる現象だ。 今回のグループワークでは水素原子の電気泳動速について調べた。電気泳動速度は移動速度×電場の強さでもとめられる。水素原子の電気泳動速度は326μ/sとなった。 ミー散乱について調べた。ミー散乱は、粒子の大きさが光の波長と同程度のときに起こる光の散乱現象である。レイリー散乱と異なり波長依存性が弱く、白色光をほぼそのまま散乱するため、雲やミルクが白く見える要因となる。理論的にはマクスウェル方程式を球状粒子に適用して解析される。粒径分布や屈折率によって散乱の強度や角度特性が変化するものであるとわかった。
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A.①蛍光灯は紫外線を放出し、短調の光を長波長にするために蛍光体を使用している。黄色の蛍光マーカーは380nmから560nmの波長に変換される。このときの振動数は計算し、接頭語を付けて表すとそれぞれ789THzと535THzとなる。紫外線を緑にすることで鮮やかさを増して見せている。LEDはバンドギャップが大きいので大きい電圧が必要であるため乾電池１つでは付かない。白色LEDは青色LEDと黄色蛍光体の組み合わせや赤・青・緑のLEDの組み合わせによってつくっている。 ② 電気移動速度=移動度×電場の強さなので、32.6×10^-2×100=326m/sと求められた。 ③本田藤島効果とは紫外光を照射した二酸化チタンが光励起によって電子と正孔を生成し、水を酸素と水素に分解する光触媒作用である。この反応を効率よく進めるためには半導体と金属の界面がオーミック接触で電子が自由に移動できる必要があり、そうでないと電子が移動できず再結合してしまい反応効率が低下するためである。 太陽光電池は太陽光が半導体に当たることで電子と正孔が生成され、p-n接合による内部電場によってそれらが分離されて外部回路に電流が流れる光起電力効果を利用して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。 光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である。チラコイド膜はその中心的な反応場として、光によって励起された電子を伝達しながら水を分解して酸素を発生させ、同時に膜内外にプロトン濃度差を形成する。その勾配を利用してATP合成酵素がATPを生成することで、後続のカルビン回路に必要なエネルギーを供給する重要な役割を担っている。
A. 第14回の講義では、光について理解を深めた。まず、色中心（カラーセンター）とは、イオン結晶中の点欠陥に電子や正孔が補足された、ある種の格子欠陥のことである。捕獲された電子は、ある順位からベンツの準位へ遷移するために固有のエネルギー吸収することで発光する。また、蛍光とは、ある物体がある波長の光を吸収し、それとは違う波長の光を放出する物理的な性質を指すと学んだ。さらに、ＬＥＤの発光原理についても学び、一方向にしか進まない光を、樹脂を被せて周りに光を分散させることにより、照明として機能していることを知った。 グループディスカッションでは、「演題：イオンの移動度から泳動速度を求めてみよう（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、坂本彩夏、久保明裕、役割：発言者）」をテーマに話し合いを行った。私たちはナトリウムイオンを選択した。Na?の移動度は+4.9cm?/Vs、極限当量イオン導電率は50.1S・cm?/eqであることから、1mol/Lの導電率は0.0501S/cmと求められた。講義中に計算できたのはここまでであるが、Na?の泳動速度は電場×移動度により求められる。 講義の発展として、光合成におけるチラコイド膜の役割について調査を行った。チラコイド膜は、太陽光などの光エネルギーを用いてATPとNADPHを作り出す光化学反応の場となる。ここに存在する光化学系や電子伝達系、ATP合成酵素が光エネルギーを化学エネルギーに変換し、のちに続く炭素同化反応へと循環していく。私は高校時代にこの光合成のメカニズムを学んでから、その巧妙さとミクロな世界に興味を持っている。このような生命が既に備えた仕組みを、人工的に再現することは今様々な研究機関が試みているが、再現性やエネルギー効率には限界があると学び、より生命の面白さを感じることができた。
A.①第14回は自然との共生についての授業であった。電球はエネルギー変換効率が悪いため蛍光灯が用いられるようになった。蛍光灯は電気を流すことで温度が上がり、熱電子放出が起きるとグローランプ部分が切れて光という仕組みである。蛍光灯が電池ではつかない理由は、バンドギャップが大きいからである。蛍光体は光が当たった時に短い波長から長い波長に変換する。これは色中心というものの現象であり、イオン結晶中の点欠陥に電子や正孔が捕捉されたある種の格子欠陥のことであり、光をあてた時に特定の光を吸収する働きを持つ。蛍光黄色は励起時の波長は380?でありほぼ紫外線の波長であるが、検出波長は560?で緑色の波長を示す。また、ＬＥＤはエネルギー変換効率はいいが、水銀が入っているため廃棄場所に困る。次に電気泳動について説明する。電気泳動とはコロイド分散液中のコロイド粒子の移動のような固相移動である。光とコロイドの減少としてチンダル現象があげられる。 ②授業最後の演習ではイオンの移動距離から泳動速度を求めた。班名は左前、班員は大濱風花、立花小春、坂本彩夏、久保明裕の四人であり、役割は書記であった。私たちはNa?を例として取り上げた。Na?の移動度は4.4cm?/Vsであり、25℃での極限当量イオン導電率は50.1Scm?/eqであった。1?/Lの導電率は0.0501S/cmであるため1㎝A/cm?の時の電場と移動度より、Na?の泳動速度は電場×移動度で求めることができるとわかった。 ③この授業の復習として光触媒を使った水の光分解について調べた。これは太陽光などの光エネルギーを使って水を水素と酸素に分解する技術である酸化チタンなどの光触媒が光を吸収し、電子と正孔を生成する。この電子と正孔が水の酸化還元反応を促進し、水素と酸素を生成する。
A.LEDは、電圧を加えることでpn接合を通じて電子と正孔が再結合し、内部量子効率の高い電気発光を示す半導体素子であり、LEDは黒体放射とは異なる選択的スペクトルを持つ非熱的光源である。蛍光灯は、放電によって紫外線を発生させ、これが内壁に塗布された蛍光体に吸収されて可視光として再放射されるしくみであり、紫外線励起型のフォトルミネセンスを利用している。これに対し、LEDは白色発光を実現するために、青色LEDチップ上に黄色系の蛍光材料を組み合わせて加法混色により白色を得ている。 グループワークではカルシウムイオンを選択した。カルシウムイオンの移動度は5.3×104?/vsである。カルシウムイオンの極限当量イオン導電率は50.75?/eqである。これより1mol/L(0.001mol/?)の伝導率KはK=50.75?/eq×0.001mol/?=0.0507s/cmである。 これより電場を求め、電場×移動度より泳動速度を求める。 光の三原色（赤・緑・青）はそれぞれ異なる波長領域に対応し、これらの加法によって様々な色相を再現できる。一方、黒体放射は温度に依存する連続スペクトルを持ち、完全吸収体が熱放射によって出す理想スペクトルを記述するもので、プランクの法則によって表される。 蛍光体の寿命について調べた。蛍光体は、外部からの励起エネルギーにより発光する無機または有機化合物であり、ディスプレイや照明、バイオイメージングに応用される。蛍光材料の寿命は主にフォトブリーチング（光による劣化）、熱的安定性、酸化・加水分解などの要因に依存する。有機蛍光体は高輝度だが寿命が短く、無機蛍光体は長寿命で耐久性が高い。
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A.この講義では電球や蛍光灯、LEDなどの明かりに関することを学んだ。電球というのはフィラメントに熱を加えることで発光させ明かりにするが、通常状態では発火して燃え尽きてしまう。そこで電球内を真空にすることで通電による発火を抑えることで安定した明かりを生み出している。蛍光灯も内部が真空である点は共通しているが、フィラメントを用いて発光させている訳ではなく、水銀などを用いて真空放電を引き起こすことで明かりを得ている。また光は色ごとに波長と振動数が決まっており、波長が分かれば光速度から振動数を導き出すことが出来る。白色のLEDは主に2通りの作り方があり、青色LEDに黄色蛍光体を塗布して分散体を用いることで作るやり方と、赤、緑、青色LEDをそれぞれ混合して作るやり方である。いずれも理解するために色相環を理解する必要がある。 発表ではイオンの移動速度から泳動速度を求めた。イオンの移動速度などの数字について教科書やネットを参照し、与えられた式に代入して求めその過程を発表とした。 復習としては青色LEDの開発についてより深く調査した。青色LEDの開発は長年にわたり困難とされてきた。赤色や緑色のLEDは既に実用化されていたが、より高いエネルギーを必要とする青色LEDには高品質な結晶の作製が技術的に難しかった。このブレークスルーは、1990年代に名古屋大学の赤?勇と天野浩、そして日亜化学工業の中村修二らによって達成された。彼らは、窒化ガリウムという材料を用いて、高品質な結晶を成長させることに成功、これにより高輝度な青色LEDが実用化され、光の三原色が揃ったことで白色LEDやフルカラーディスプレイが実現し、照明技術に革命をもたらした。この功績により、2014年にノーベル物理学賞が授与された、といったことが分かった。
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A. KOHは水にとけやすい、言い換えると電気を通しやすい。Znを使う理由はH2がでにくいからである。白熱電球は主な材料がガラスと金属でできており、中を真空にする必要がある。したがって、ガラスの組成と合金の組成を合わせなければならない。また、色中心蛍光体は特定の結晶格子内の欠陥にトラップされた電子が光を吸収・放出することで発行する現象を利用した蛍光体。 今回は「イオン移動度から泳動速度を求めよう」というテーマで発表した。カルシウムイオンの移動度は5.3×104cm2・v-1・s-1である。Ca２＋の極限等当量イオン導電率は50.7s・cm2・eq-1で1mol/Lの導電率KはK＝50.7s・cm2・eq-1×1mol/L＝50.7 s・cm2・eq-1×0.001mol・cm3=0.0507s/cmであった。ただし、1mol/L=1mol/dm3＝0.001mol/cm3という風に単位変換を行った。よって1mA(cm2)のときの電場は、0.0197V/cmであることが分かった。これは、1cmあたり約19.7mVの電位差があることを示す。 授業で取り扱った色中心蛍光体の応用例について調べた。色中心蛍光体は、結晶中の欠陥や不純物によって形成される色中心が光を吸収・放出することで発光する材料である。主な応用例として、ディスプレイや蛍光灯の赤色蛍光体、三波長型蛍光灯の白色光生成、蓄光材料などがある。また、医療・バイオ分野では蛍光イメージングに、放射線検出では輝尽発光型蛍光体が利用される。高輝度・高安定性を活かし、幅広い分野で応用が進んでいる。
A.①水酸化カリウムは水に非常に良く溶け、その結果、電解質として多くのイオンが生成され、電気を通しやすくなる性質を持っている。一方、蛍光材料は結晶構造の中に存在する。格子欠陥が特定の波長の光を吸収することで、視覚的な色調を帯びる。この発色された色が蛍光材料の発光の起点となる。次にLEDについて考えた。光の三原色が応用され、白色LEDは青と黄色組み合わせて白色を作っているものもある。 ②イオンの移動度からの泳動速度を求めよう。嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 記録 グループワークではカルシウムイオンを選択した。カルシウムイオンの移動度は5.3×104?/vsである。カルシウムイオンの極限当量イオン導電率は50.75?/eqである。これより1mol/L(0.001mol/?)の伝導率KはK=50.75?/eq×0.001mol/?=0.0507s/cmである。 これより電場を求め、電場×移動度より泳動速度を求める。 ③ 白色LEDには、様々な発光のメカニズムがある。まず青と黄色を組み合わせるもの。そして、紫外線LEDとRGB蛍光体を組み合わせるものがある。紫外線LEDとRGB蛍光体を組み合わせるものでは、紫外線LEDで赤、緑、青の蛍光体を発色させ、自然な白色光を得ることができる。LEDは効率が良く、消費電力も低いため、環境の負荷が低いことがわかっている。
A.
A.①③色中心は、蛍光体材料や発光デバイスを設計する上で重要な概念であり、それを蛍光体材料に応用するにはどうしたらよいのだろうか。そもそも色中心とは、結晶中のの格子欠陥に電子や正孔が捕獲されて形成される準安定な状態で、光を吸収、放出することで色や発光特性を示すのである。まず、色中心は、光を吸収して励起状態に遷移し、そこから放出する際に発光する。そして、色中心によって、禁制帯内に準位を人工的に導入すことで吸収波長を制御可能にするのである。 可視光スペクトルより、青から緑色の光を吸収すると、560?600nm付近の光を放出する。それに対応する振動数は510?530THzとなる。 次に白色LEDはどうやって白色を創っているのだろうか。まず1つは、青に発光するLEDに青色の光を黄色に変換する蛍光体を組み合わせる方法である。このとき、青色と黄色の光が混ざることで、人間の目に白色光として見えるのである。 2つ目は、RGB方式と呼ばれ、色の3原色で白色を得る方法であり、これは主にディスプレイなどで使用される。 ②グループワークでは、イオンの移動度から泳動速度を求めた。泳動速度は、イオンの移動度と電場の積によって求めることができる。よって、電場が強ければ早く移動することになる。プロトンは非常に移動度が速いため、水中で最も速く動くイオンの1つで、有機化学等の反応機構でもプロトンの移動は省略されることが多い。
A. 物質が光を放出する現象は、発光ダイオード（LED）や蛍光体に応用されている。発光の原理は、電子がエネルギーの高い状態から低い状態に遷移する際に、そのエネルギーを光として放出することである。このエネルギーは、電子を励起させるエネルギー（例えば電圧）によって決まる。LEDは半導体のpn接合に電圧を印加することで、電子と正孔が再結合し、光を放出する。蛍光体は、紫外線を吸収して可視光を放出することで、白色LEDの光を作り出すのに用いられる。これらの技術は、エネルギー化学の観点から効率的なエネルギー変換を可能にしている。 市販電池のエネルギー密度について調査し、リチウムイオン電池が最も高いエネルギー密度を有することを確認した。体積・重量あたりのエネルギー量を評価基準とし、用途に応じた電池の最適化が求められていることを議論した。 リチウムイオン電池の構造や材料について調べ、正極・負極や電解液の改良によって高エネルギー密度化が実現していることを把握した。全固体電池など次世代電池技術の展望にも触れた。
A.固体放射はほとんどが熱で発する光は少ない。蛍光灯は、グローランプで熱電子放出し、真空放電することで光る。水銀が使用されているため、紫外線が出る。その紫外線を蛍光体を用いて、短波長から長波長にする。LEDはバンドギャップが多いため、電圧が必要になる。現在多く使われている白色LEDは、2種類の方法で作られている。1つ目は青LEDと黄色の蛍光体で白を表現する方法と、赤青緑のLEDで白を表現する方法がある。 チラコイド膜は、光合成色素を保持し、光エネルギーを吸収して、ATPやNADPHの化学エネルギーに変換する光化学反応と言われている光合成を行う。チラコイド膜は植物やシアノバクテリアなどにみられる構造である。そして、チラコイド膜を用いたバイオ水素生産やバイオエタノール生産の研究が進められていたり、バイオ燃料の生産への応用への期待がされている。
A.① KOHは水に対する溶解度が高く、多くの塩を溶かすため電気をよく通す。蛍光材料は、格子欠陥が特定の波長を吸収し色がつくことで発光の起点となる。また、光は1秒間に地球を約7周する速さで進み、波長から周波数を求めるには光速を波長で割ればよい。単位換算は仕事の現場で重要であり、誤ると大きな事故につながる。実際、半導体設計ミスで山形新幹線に不具合が起きた例もある。白色LEDは青と黄色を組み合わせて白色を作っている。 ②グループワークではカルシウムイオンを選択した。カルシウムイオンの移動度は5.3×104?/vsである。カルシウムイオンの極限当量イオン導電率は50.75?/eqである。これより1mol/L(0.001mol/?)の伝導率KはK=50.75?/eq×0.001mol/?=0.0507s/cmである。 これより電場を求め、電場×移動度より泳動速度を求める。 ③ 今回の授業では、電解度などについて学んだ。KOHは水に非常によく溶け、塩を多く溶解させることで電気をよく通す性質がある。蛍光材料は格子欠陥が特定の波長を吸収し色を帯び、その発色が発光の起点となる。また、光は1秒間に地球を約7周する速さで進み、波長から周波数を求めるには光速を波長で割る。単位換算は実務で重要で、ミスが事故につながることもある。実際に半導体設計ミスで山形新幹線に故障が起きた。白色LEDは青と黄色の光を組み合わせて白色を作っている。
A. 蛍光灯にはグローランプが利用されている。グローランプとは蛍光灯を光らせるために必要な電圧を得るためのものである。ランプ用蛍光体の従来型は白色で表され、カルシウムリン酸などが使われる。 色中心とは、結晶構造上の欠陥のことである。イオン結晶中の格子欠陥に捕まった電子や正孔が光を吸収するため。この機能が蛍光体に用いられていると考えた。 黄色の蛍光の励起波長は、３８０nm、検出波長は５６０nmであった。振動数は光の速さ(3.00×?10 ?^8m/s)を波長で割ったものである。よって、検出波長の時の振動数は 5.36 ×?10 ?^14 Hz(789ＴＨｚ)である。励起波長の振動数は535ＴＨｚとなる。この380nmは青色を示す。 ＬＥＤが乾電池2個必要である理由は、電圧が必要であるためである。バンドキャップが大きい材料が必要である。白色ＬＥＤは青色ＬＥＤと黄色蛍光体を組み合わせる方法が主流である。赤ＬＥＤと青ＬＥＤと緑ＬＥＤを混ぜて作る。 電気泳動とは、界面動電現象において、コロイド分散液中でコロイド粒子が移動するような固相移動のことをいう。コロイド粒子は光を散乱させることで、白い雲が生じる。レイリー散乱の例が空が青く見えることが挙げられる。 電気泳動によって、タンパク質の分解も行える。
A. 可視光線の波長は、約380nmから780nmの範囲にあり、波長の短い光は紫に、長い光は赤に見える。また、ν=c/λより、波（光）の速さを波長で割ることで振動数を求めることができる。白色LEDの発光原理は二種類あり、青色LEDにより、黄色蛍光体を光らせる方法と光の3原色のLED（赤色・緑色・青色）を組み合わせる方法がある。 イオンの移動度から泳動速度を求めようの発表ではナトリウムイオンを選んだ。グループ名は未定であり、グループメンバーは私を含め、菅野隼太郎、浄閑祐輝、小池快成、鈴木晴琉であった。また、私の役割は調査であった。現代の電気化学p.14表2.4よりナトリウムイオンの移動度は4.4×10^4cm^2/Vsである。 現代の電気化学p.13表2.3より 水溶液中のナトリウムイオンの極限当量イオン導電率は42.8S/cm/(eq/cm^3)である。 1mol/Lの導電率は、0.0428S/cm=A/cm^2/(V/cm)であることがわかった。 平常演習の太陽光発電について調べてみようでは太陽光発電は一般的にシリコンを使ったp-n接合型半導体で構成されていることがわかった。太陽の光がシリコンに当たると、光子が半導体の電子を励起して、電子と正孔の対が生成される。p-n接合の内蔵電界によって、電子はn型側に、正孔はp型側に引き寄せられることにより、電荷キャリアが分離され、再結合せずに電極へ向かう。分離された電子がn型から外部回路を通ってp型へ流れることで電流が生まれ、電気として取り出すことができるということがわかった。
A.【講義の再話】 実用電池にはなぜアルカリが使われるかというと、溶解度が高くて電気を通しやすいためである。 鉛電池は固相反応である。白熱電球はスワンが開発しエジソンが商業的に実用化した。黒体放射の仕組みを用いている。黒体放射とは炭が赤くなるのと同じものである。 白熱電球はガラスに真空×アルゴンで作られたものであるが、ガラスと金属を合わせると必ず隙間が生まれるので工夫が必要である。 また、黒体放射を使っているためエネルギーが殆ど熱に変換されてしまい、光への転換効率が悪い。そのため蛍光灯では水銀のある環境下で真空放電を行い、熱電子放出を行っている。 色中心について調べた。色中心とは、透明な物質中に生じる格子欠陥によって特定の波長の光を吸収し、着色して見えるものである。一方で蛍光体は、外部からのエネルギーを吸収して、異なる波長の光を放出する物質である。 電気泳動では対流、拡散、泳動の３つが起きていることが分かった。 【発表の 要旨】 演題は水素イオンの電気泳動速度でグループ名はH+、グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈であった。自分が発表の創作に果たした役割は調査であった。 水素イオンの電気泳動速度について考えた。電気泳動速度は移動家×電場の強さで求められる。計算を行ったところ326m/sであると結論付けられた。 【復習の内容】 緑や青の蛍光波長について復習した。 光子一個のエネルギーは、その振動数νに比例し、E=hνと表すことができる。hは示量因子で、νは示強因子である。 電気は示強因子は電圧、電気量は示量因子である。単位はkwhである。間違いやすい例として電圧×電流というものがあるが、これは電力であり、ｗで表される別のものである。
A.光についてを取り上げた。光に色がついているのは色中心といい、透明なイオン結晶中の格子欠陥に捕らえられた電子や正孔(ホール)が、光を吸収して色がついたように見えることを指す。この仕組みを利用したもので蛍光灯があり、蛍光灯の中に封入された水銀の蒸気が電源を入れて電子が加わると励起し、蛍光体中の発光イオン（Euことイウロピウムイオン）が励起して、基底状態になるときエネルギーを光エネルギーとして放出することで光るという仕組みになっている。また、電気泳動は誘電率の異なる固相―液相界面や家電を持つ高分子―溶液界面といった電気二重層が誘起される界面を挟んだ異相間に相対的な移動の中でコロイド分散液中のコロイド粒子の移動のような固相移動の起こる場合を指す。 演習では教科書中から好きなイオンを選んでイオン濃度が1mol/L、1mA/cm2の電流密度で電気を流したときのイオンの泳動速度を求めるという内容だった。ナトリウムイオンを取り上げ、移動度は4.4cm2/Vs、極限当量イオン導電率は42.8Scm^2/eq、1mol/Lの導電率は0.0428S/cm、1cmA/cm^2のときの電場は0.023V/cmより泳動速度は792cm/sだった。 エネルギーとして化学エネルギー、電気エネルギー、力学的エネルギー、光エネルギー、熱エネルギーが上げられる。電気エネルギーを取り上げると導電率は物性値というベクトル量で移動度と電荷密度の積である。電流密度の電界の強さの比、電解の強さは電位勾配のことを指す。また、移動度は粘度に反比例し、電荷密度はイオンの濃度に比例する。
A.KOHは溶解度が高い→電気を流しやすい 亜鉛を使うのは水素が出にくいから Li++e-=Li 固液反応だと効率悪い、どちらも固相反応(Solid)にすることで実用化→リチウム電池 白熱電球 スワンが発明、エジソンが実用化 黒体放射 グローランプ 光へのエネルギ 黄色励起 波形380nm,検出波形が560nm 振動数=波の速さ/波形 速さ=29979458 m / s、380nm 波長 振動数 LEDは乾電池、電圧×電気量=エネルギー 白色エネルギー 青の波長400~500くらい黄色の波長500?600くらい 青色は難しい→量産 げんだい 光合成 は ナトリウムチャネル イオン伝達早い(ネルンストの式) 電気泳動 p24 コロイド 光の散乱 身近な例(チンダル現象) ミー散乱 白い雲 レイリー散乱 青い空 p208 バイオ タンパク質 種々のイオンの移動度から電気泳動の速度を計算
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A. ①テーマはバイオと光についてである。まず、色中心とはイオン結晶中の点欠陥に、電子や正孔が捕まえられたある種の格子欠陥のことをいう。次に、黄色の蛍光ペンの原理は黄色の補色である青色の光を良く吸収する色素が含まれていることによる。そして、LEDが乾電池1本で付かない理由は、バンドキャップが大きいので高い電圧を必要とするからである。また、人工光合成を実用化するには現在の技術では程遠い。 ②イオンの移動度から泳動速度を求める発表では、水素イオンを選んだ。グループ名は未定で、グループのメンバーは私を含めて百々柚花、松原周凛、西島洸太郎、HUYNHVINH KHANGであり、私の役割は調査であった。水素イオンの移動度が32.6×10^4[cm^2・V^(-1)・s^(-1)]であることを利用して、計算して泳動速度は0.326cm/sと求められた。 ③14-04【平常演習】「太陽光発電について調べてみよう」で取り組んだ内容を次に示す。太陽光パネルに太陽光が当たると、電子と正孔が発生する。そして、電子はn型半導体に行くことで負極、正孔はp型半導体へ行くことで正極をつくり、これを電極でつなぐことで電気が流れる。
A.今回はKOHについて取り上げ水に溶けやすいことを学びました。液体から個体に相変化するためには、形が変わることを知りました。2次電池についても考え、２次電池にするためには固相反応が必要になることを理解できました。電気について考え、黒体反射、蛍光灯の場合、熱電子放出の場合はどうなるのか考えました。黒体反射は、エネルギー変換効率が低く、蛍光灯の場合は交流電気を用いた真空放電、熱電子放出で、一連の流れをグローテープということがわかりました。蛍光とは光から光に変化することであり、短い波長から長い波長に移動することがわかりました。LEDは電気量×電圧であることを考え、白色のLEDはどうやって作るのか考えました。青LEDと黄色LEDを合わせることで作ることができると学びました。また、コロイドについても考えコロイドは光の散乱であることがわかりました。三一散乱とはチンダル現象であることを初めて知りました。 グループワークでは、BrO3-の移動速度やイオン濃度を調べ、導電率や電場を計算しました。
<!-- 課題 課題 課題 -->
<li>
<a href='https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/developer/WebClass/WebClassEssayQuestionAnswer.asp?id=438'>
<q><cite>
</q></cite>
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<a/a>・
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<!-- 課題 課題 課題 -->
大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
