原子

わかりやすい! 光の波動性と粒子性の話

どうも、かきのたねです。

光は電磁波だというのはよく知っていることだと思います。そんな光が実は、粒子のような性質も持っていることはあまり知られていません。

今回はその光の波動性と粒子性(二重性)について話していきます。

光の波動性

光に波の性質があることはよく知られている。

  • 光は干渉する
  • 光は回折する

これらは波動特有の現象だ。ヤングの実験などで確かめられる。

より詳しく言うと、光は電磁波と呼ばれるものになる。

かきのたね
かきのたね
Maxwell(マクスウェル)さんが、電場と磁場の振動(電磁波)が光の正体であることを理論的に発見したんだよ。

ちなみにHertz(ヘルツ)さんがこれを実験で確かめたんだ。

光の粒子性

しかし色々な実験をしていると、光が粒のような性質も持っていることがわかってきた。これを確かめる実験として光電効果の実験がある。

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波の一般的な性質として、次のようなことが知られている。

「波のエネルギーは振幅の2乗に比例する」

上の記事でも書いている通り、光はどうやらそうではないようである。

光電効果の実験によると、

「光のエネルギーは振動数に比例し、光の強さ(振幅)にはよらない」

他にも波の性質とは違った性質があるようだが、これらは光の粒が振動数に比例したエネルギーをもつと考えるとうまく説明できる。

1粒の光のエネルギーを\( E \)として、振動数を\( \nu \)・比例定数を\( h \)(プランク定数と呼ばれる)とすると次の式となる。

\[ E = h\nu \]

これはアインシュタインの関係式と呼ばれている。

 

かきのたね
かきのたね
光電効果でのエネルギーの伝わり方からも光の粒子性がわかるよ。

もし光のエネルギーが連続的に満遍なく分布していると仮定する(波の性質)と、電子はエネルギーを徐々に受け取ることになるね。でも実験的には「光が当たった瞬間に電子が飛び出す」ことがわかっているんだ。

これは電子が瞬間的にエネルギーを受け取ったということで、光が粒子性を持っているため電子に瞬時に衝突したと考えられるよ。

日焼けは光の粒子性のせい!?

日焼け

光電効果では、ある特定のエネルギー以上のエネルギーを持った光の粒でないと電子が飛び出さないことがわかった。

人間の皮膚でも同じようなことが起こっている。

夏の海や山ではよく日焼けしてしまう。これが実は光の粒子性のせいなのである。

日焼けは「紫外線などの波長の短い光(エネルギー大)が皮膚に作用してメラニンが生成される」現象である。

可視光など波長の長い光をたくさん当てたとしても、光の粒のエネルギーが小さいため日焼けしない。これは普段の生活で確かめられるだろう。

紫外線などの高エネルギーの光が体内の細胞に当たると、その細胞がエネルギーを受け取って変異したり壊れたりしてしまう。そのような光を防ぐためにメラニンを生成して、高エネルギーの紫外線から皮膚の内側を守るのだ。

曇りの日は日焼けしやすいという噂を聞いたことがあるかもしれない。これも光の粒のエネルギーから説明できる。

晴れた日に日焼けするのは先ほど説明したとおりだ。

曇りの日はなぜ日焼けするのだろうか?

実を言うと曇りの日は多くの場合、晴れの日に比べて紫外線が少ない。雲で散乱されているのだから。それなのになぜ日焼けしやすいのか。

可視光が雲に散乱されて暗くなっているため、紫外線が完全にカットされていると勘違いしてしまうせいだと私は思う。

紫外線がほとんどないと勘違いして対策を怠り、普段より日焼けしやすくしているのだ。

放射線

紫外線やX線よりも波長が短い電磁波には、放射線として知られる\( \gamma \)線がある。これは目には見えないが、とてもエネルギーが高いので人体には非常に有害である。

放射線を浴びてしまうと体中の色々な細胞にエネルギーが与えられてしまい、癌や深刻な皮膚障害などが引き起こされる。

絶対に安易に取り扱ってはいけないので注意!

わかりやすい!
高校物理の家庭教師

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