共鳴

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共鳴(きょうめい、: resonance)とは、物理的ながある特定の周期で働きかけを受けた場合に、その系がある特徴的な振る舞いを見せる現象をいう。特定の周期は対象とする系ごとに異なり、その逆数固有振動数とよぶ。

物理現象としての共鳴・共振は、主に resonance訳語であり、物理学では「共鳴」、電気を始め工学的分野では「共振」ということが多い。

共鳴が知られることになった始原はを伴う振動現象であると言われるが、現在では、理論式の上で等価・類似の現象も広く共鳴と呼ばれる(バネの振動・電気回路核磁気共鳴など)[1]

概要[編集]

きわめて通俗的な説明としては、ある物体Aの振動エネルギーが、別の物体Bに移る現象だとしてもよい。

A(振動)→B、A→(振動)B

しかし、A・Bが電波アンテナのような場合、必ずしもAは物体でなくともよく、自己共鳴的な現象では必ずしもAの存在は必要とされない。また、核磁気共鳴のような場合は摂動磁場の振動に対する磁性の変化として現象が現れるため、振動やエネルギーの移動があるわけではない。

共鳴が起きた場合、理論式の上では系を特徴付ける物理量が0や無限大になる場合が多い。また、外部からの振動が与え続けられる場合、振動を受ける側に破壊的現象が起こる場合がある(ハウリングタコマナローズ橋の事例)。

力学的共鳴[編集]

あらゆる物体には固有振動数(その物体にとって振動し易い振動数)がある。外部から振動が与えられるとき、与えられる振動が固有振動数に近づくにつれ、物体の振幅が急激に増大する。この現象を「共鳴」または「共振」という。遊具のブランコの、動きの調子に合わせて力を加えると次第に揺れが大きくなる様子が参考になる。

楽器発声にあっては、発音体(発音物質、リードなど)の振動がより大きな物体(筐体、共鳴腔)に伝わり共鳴することで、より人間が聞きやすい音に変化する。すなわち、発音体単独の時よりも、聴覚上大きな音が得られる。これは音色の変化でもある。楽器によっては共鳴によって安定した音高を得ている。

電気回路の共振[編集]

電気回路にコンデンサコイル直列または並列に接続すると、特定の周波数に対して交流抵抗が0または無限大となる共振回路が有名である。

素粒子論的共鳴[編集]

素粒子に関する加速器による実験では、特定の衝突エネルギーのところで、反応の頻度(反応断面積)が急激に大きくなることがある。この際には生成した複数のハドロン中間子が複合した状態を形成していると考えられる。この状態を共鳴状態にあるという。これらの状態は非常に短寿命であり、強い相互作用によってより寿命の長いハドロンや中間子へと崩壊する。

量子力学的共鳴[編集]

量子力学においては、ある状態がエネルギーの期待値が近い2つ以上の状態の線形結合で近似できるとき、2つ以上の状態が量子力学的共鳴状態にあるという。この考え方はヴェルナー・ハイゼンベルクによってヘリウム原子の状態について提唱され、ライナス・ポーリングにより化学結合全般へと拡張された。

脚注[編集]

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  1. ^ 原子力百科事典 ATOMIKA のNMRの項より。

関連項目[編集]