量子力学の基礎クイズ：プランク、ハイゼンベルク、粒子と原子
量子の世界へようこそ：プランク定数、ハイゼンベルクの不確定性原理、波と粒子の二重性、原子について。各問に科学的根拠付きの解説を添えた11問のクイズ。
11 問~6 分ja
Q1 / 11
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1900年にエネルギーが量子化されているという概念を初めて提唱したのは誰ですか？
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Q1. 1900年にエネルギーが量子化されているという概念を初めて提唱したのは誰ですか？
- アルベルト・アインシュタイン
- マックス・プランク
- ニールス・ボーア
- ヴェルナー・ハイゼンベルク
マックス・プランクは黒体放射がE = h·νの離散的なパケットで放射されると提唱しました（h ≈ 6.626 × 10⁻³⁴ J·s）。彼は1918年のノーベル賞を受賞し、量子論の父と呼ばれています。Q2. ハイゼンベルクの不確定性原理は何を述べていますか？
- すべてはランダムである
- 位置と運動量の両方を任意の精度で同時に知ることはできない
- 光は常に波である
- 電子は決して動かない
1927年に定式化されたこの原理はΔx·Δp ≥ ħ/2を示します。これは根本的な制限であり、測定の欠陥ではありません—粒子の位置をより正確に特定すればするほど、その運動量は不明確になります。Q3. アインシュタインが1905年に説明し、1921年のノーベル賞を受賞した現象は何ですか？
- 特殊相対性理論
- 光電効果
- ブラウン運動
- 一般相対性理論
アインシュタインは光がE = h·νのエネルギーを持つ量子（光子）として振る舞うことを示し、特定の周波数だけが金属から電子を放出する理由を説明しました。これは波と粒子の二重性の決定的な証拠でした。Q4. 1897年にJ.J.トムソンによって発見された粒子はどれですか？
- 陽子
- 中性子
- 電子
- 光子
トムソンは陰極線実験で電子を同定し、最初の既知の素粒子となりました。1906年のノーベル賞を受賞しました。その電荷はのちにミリカンによって約−1.602 × 10⁻¹⁹ Cと測定されました。Q5. ボーアの1913年の水素原子モデルでは、電子は…
- 任意の軌道を動く
- 特定の許された エネルギー準位のみを占める
- 核内を自由に浮かんでいる
- 存在しない
ニールス・ボーアは角運動量がħの倍数となる量子化された軌道を提唱しました。準位間の遷移は特定の周波数の光子を放出または吸収し、水素のスペクトル線を説明しました。Q6. 有名な二重スリット実験が実証したのは何ですか？
- 光は速度を持たない
- 電子のような粒子は波のように振る舞う
- 質量は生成できない
- 原子は不可分である
一度に1つずつ発射された電子は2つのスリットを通っても干渉縞を形成します—明らかな波の振る舞いです。どちらのスリットを通過するかを観察すると干渉縞が消えてしまい、これが量子の不思議さの核心です。Q7. 1926年に量子力学の波動方程式を開発したのは誰ですか？
- ポール・ディラック
- エルヴィン・シュレーディンガー
- ヴォルフガング・パウリ
- ルイ・ド・ブロイ
シュレーディンガー方程式 iħ ∂ψ/∂t = Ĥψ は量子状態が時間とともにどのように発展するかを記述します。彼は相対論的な電子を拡張したポール・ディラックとともに1933年のノーベル賞を受賞しました。Q8. パウリの排他原理とは何ですか？
- 2つの光子は決して衝突できない
- 2つの電子が同じ量子状態を占めることはできない
- エネルギーは生成できない
- 光は直線的に進む
ヴォルフガング・パウリは1925年に、フェルミオン（電子、陽子、中性子）は同一の量子状態を占められないと述べました。これが原子が殻構造を持つ理由であり、物質が崩壊せずに固体として存在できる理由です。Q9. 光子とは何ですか？
- 重い原子核
- 電磁放射の量子
- 電子の一種
- 中性の原子
光子は光を運ぶ質量のない粒子です。そのエネルギーは周波数のみに依存します：E = h·ν。可視光の光子は約1.8〜3.1電子ボルトのエネルギーを持ちます。Q10. 1924年にルイ・ド・ブロイが提唱した内容は何ですか？
- 光だけが波である
- 物質も波の性質を持つ
- 原子には核がない
- 重力の中で時間は遅くなる
ド・ブロイは運動量pを持つ粒子が波長λ = h/pを持つという仮説を提唱しました。1927年のダビッソン＝ガーマーの電子回折実験で確認され、1929年のノーベル賞を受賞しました。Q11. 量子もつれとはどういうことですか？
- 粒子は互いに反発し合う
- 2つの粒子が状態を共有し、一方を測定するとすぐに他方に影響を与える
- 粒子が光速を超えて移動できる
- エネルギーが真空中で消える
もつれた粒子は距離に関係なく相関した性質を持ちます。アインシュタインはこれを「不気味な遠隔作用」と呼びました。アラン・アスペの実験がこれを確認し、2022年のノーベル賞を受賞しました。