光について

Question

バカみたいな質問かもしれませんが?
光ってガラスなどの、透明な固体を通過しますけど、光も粒子【固体）ですよね、何で、固体が固体を通過するのか、その原理が解る方いらっしゃいましたら、教えてくださいお願いしますm(_ _)m

noname#11466 · Accepted Answer

まずご質問者のレベルで理解するためには、光の粒子性の話しは一度忘れて考えるとよいでしょう。
そのＮＨＫに出てきたというのは有名な光の粒子的な振る舞いと波動的な振る舞いが共存している話しです。光は厳密には二重性といって、波動的な性質と粒子的な性質がありますが、透明であるとか光の吸収を考える上では、まずは粒子性について考える必要はありません。
また、光の粒子的性質といっても、ご質問者が考えるような「固体」ではありません。

まずは波動的な性質を理解して、その上で粒子性の話しを考えねば理解は出来ないでしょう。
この粒子性の話しをするときには、その基礎となる量子力学という学問の考え方が必要になります。

光というのは純粋なエネルギーです。どういうエネルギーかというと、電場と地場が交互に振動して伝達していくエネルギーです。周波数が低い物は「電波」と呼ばれています。
周波数が高くなると光と呼ばれる領域に入り、

遠赤外線－赤外線－近赤外線－可視光（赤－緑－青－紫）－紫外線－深紫外線－真空紫外－極端紫外

となります。これより周波数が更に高くなると、放射線と呼ばれる領域に入っていきます。

物質との関係で重要なのは光の電場成分です。電場とは平たく言えば空間に電圧がかかっている状態であり、これが＋と－が激しく入れ替わっている状態（振動電場といいます）です。（この入れ替わりの早さを周波数という言葉で表します）

さて、物質に光が当たったときにどのようになるのかを説明するには、物質を構成している原子・分子が重要になります。ここで他の回答者もご理解していないようなので、少し説明しますと、原子は電子と原子核で成り立っています。（更に細かくもわけられますが本題とは関係がないので省略します）
そして、分子とは原子が複数結合したものです。同じ原子同士もあるし、異なる原子が集まっていることもあります。
重要なのは、光の吸収を考えるとき（吸収しない場合は透明なのでそのまま透過します）、原子自体が光を吸収する場合もあるし、構成している原子単体自体では吸収しないが、結合して出来ている分子全体として吸収する場合もある（というより可視光に注目すると金属系以外ではこちらの場合の方が圧倒的に多い）ので、単純に原子を取り上げただけでは駄目です。なのであえて「原子・分子」と書いています。

さて、本題に入りますが、原子にしろ分子にしろ、＋の電荷をもつ原子核、の回りを－の電荷をもつ電子が取り巻いている形を取り、安定した状態を保っています。
ここに光という電場がやってくると、特に－の電荷をもつ電子はその電場の力で変位します。
実際には振動電場ですから、その変位も振動するわけです。
このとき、電子という質量のある物質を動かすことになりますから、電場のエネルギーは少し失います。実はこれが吸収という現象です。

では何故透明体ではそれが起きないのかというと、その周波数にあります。原子・分子には固有の共鳴振動数というものがあり、この振動数では吸収も極大になりますが、これから大きくはずれると、電場の振動に電子の変位が追従せず、ほとんど吸収が起きなくなるのです。

故に透明に見えるわけです。でも完全に透明というわけではありません。窓ガラスは透明に見えますが、ガラスの切り口を見ると、青緑の色に見え、透明には見えません。これはまだ吸収がわずかだが存在している証拠です。
非常に透明性が高いのは光ファイバーに使われている合成石英ですが、これでも完全ではないので、長距離伝送時には途中で一度電気信号になおして、再度送信し直す等のことが行われています。

以上が光の吸収の話しです。

光の専門分野でも、光自体は上記のように波動、つまりエネルギーの波として扱い粒子として扱うことは特殊な分野のみに限られています。（通常これを半古典論と呼んでいます。原子・分子自体は量子力学ベースで考えるが、電磁波は古典的に考えるからです）

さて、ついでですが、気になっている光の粒子性についても簡単におはなししましょう。
これは、電磁場の量子化に関わる話しです。量子力学で面白いのは、粒子性と波動性の話しが、分子・原子でも適用できるし、純粋なエネルギーである電磁波などにも適用できる点です。

たとえば原子を構成している電子は、一定の大きさがあり、質量もある紛れもない粒子としての性質を持っています。ところが、量子力学の中では、電子すら波動的性質を表します。
逆に光は純粋な電磁波という波のエネルギーでしかないのに、まとまった粒子としての性質を表すことがあります。

一体世界は波で出来ているのか粒子出てきているか？
という面白い話しになるわけです。

光の粒子性についていうと、光を粒子として扱う場合は質量のない光子という扱いをします。ただこの扱いは決して光が何か堅い固体という訳ではなく、電磁波という波がひとかたまりになっている物（波束と呼びます）という考え方が一番適当です。
つまりエネルギーの固まりですね。

これ以上は更に話しが長くなりますので、とりあえずこの辺にしておきます。

なるべくわかりやすく説明するため厳密性に書いている部分もありますが、幾らかでもイメージできたらと思います。

noname#11466 · Answer

>原子の最外周の電子が自由に隣の原子の電子と行き来する
そういう見方もできますが、より正確に言うと「共有している」のです。
一例は金属の電子は全ての結合している原子で共有しています。（金属結合と言います）
有機物でも複数の炭素Ｃ同士で電子を共有しています。（共有結合と言います）

>このときの原子の状態は、やっぱり安定しているんですか？
結合している状態は安定している状態の一つです。
切り離したときの状態の方が不安定だから、共有することで結合しているのです。

>陽子に一番近い電子に力を加えて原子を分解する方法とかは、ないんですか？
強いエネルギー粒子をぶつければ出来ます。

noname#11466 · Answer

すいません。補足には反射の話しも出ていましたね。
反射についていうと、これは典型的な反射を示す金属について考えると説明が容易です。
金属というのは導体なので光の電場が侵入できません（厳密にはわずかに侵入します）。
なぜならば導体の中は何処でも同じ電位になるように電子が自由に動ける（故に電気が流れる）ので、電位を作ろうとしてもすぐに電子が移動して打ち消しあってしまうからです。

そしてこの打ち消し合う電子の動きが新たに電磁波を作ります。その電磁波の進行方向はちょうど光が反射する方向になるのです。
これにより光の反射が生じます。

これらは原子・分子を一つの双極子モーメントという＋と－の電荷を両端にもった棒状のものを考え、やってきた光の電場に対する双極子モーメントの運動（回転運動）と、それより新たに発生する電磁波（電磁波は＋と－の振動により生まれます）を計算すると反射の原理を説明できます。

あと吸収についてですが、吸収した場合には大抵は熱になります。ただ中には物質の組成を変えるエネルギーになることもあります。日常生活ではたとえばプラスチックが太陽の紫外線によりぼろぼろになるのもその一つです。
ユニークなところでは、物質構造が変化し、エネルギーを蓄え、後から光を放出する場合もあります。
これは燐光と呼ばれていて、時計などに使われる夜光塗料もその一つです。

では。

apple-man · Answer

＞物を分解して、別の場所で再構成できないかなと思ったものですから

　転送装置を作りたいんですね。
スタートレックを見て考えている
なら、まんざらバカな話でもないです。

　トレックは６０年代のオリジナルシリーズ
のときから、大学の先生たちなど専門家の
意見を聞きながら設定を作っているので
全くの想像でない分、かなり真実味があります。

　テレビシリーズでは専属のサイエンス
アドバイザーがいて、例えば彗星と出会う
シーンでは彗星の材質や運動速度について
計算してもらって、それをもとにＣＧ映像を作って
います。

　物質の移動については、量子トランスポーテーション
という技術が有力と言われていて、映画では
タイムラインという作品で時空移動装置といして
出てきます。
　またトレックと同じジーンロッテンベリー
原作のアンドロメダというテレビＳＦシリーズでは、
ブラックホールの重力を使って、過去に
人間を送るという技術として量子トランスポーテーション
が出てきます。
　
　そんなバカなと笑った人には未来など
ありませんが、できると信じて進んできた
人たちによってこの世は変わってきた
わけですから、ちょっと大真面目に
考えてみて下さい。

grothendieck · Answer

光は固体を自由に通過でき、物質粒子は全く通過できないと言うことはありません。程度の問題です。しかしまず申し上げなければならないことは、光は中性の粒子であるために相互作用は弱いと言うことです。そのためγ線(光の波長の短いもの)はα線(+2eの電荷を持つ)やβ線(-eの電荷を持つ)より遮蔽は難しいのです。物質粒子でも中性子などは荷電粒子よりも遮蔽は難しくなります。

apple-man · Answer

Ｎｏ．１のご回答は何か変です（笑）

物質は全て原子でできていますから・・・

光が透過するとか反射するとか言うのは、
物質中の電子のエネルギー状態が関係して
いるんですね。光を通過させてくれるのも、
反射してくれるのも、物質中の電子がやって
いることです。

高校生くらいの知識があると勝手に判断して
書きますね。分からなかったらゴメンナサイですが。

　光電効果のように光を物質にあてると
電子が飛びだしてくることがありますね。
電子は光（光子）をキャッチしようといして
待っているわけですが、光のエネルギーが
でかいと電子そのものが飛ばされてしまう
という例です。

　全ての電子が入ってきた光子をキャッチ
しようしているのではなく、丁度エネルギー
状態があった電子だけで、電子のエネルギー
状態というのは、おおまかに言って、原子核
からどのくらい離れているかです。離れて
いる電子ほど高いエネルギーをもっているし、
原子核の影響を受けにくくなるので、
自由に動き回り光子をどんどん跳ね返してしまい
ます。
　自由電子がある金属は、可視光線を全て
反射するので金属光沢がある、というのは
こうゆう理由です。自由電子が電流を運ぶ
電子なので、電流が流れるということと、
鏡のようにピカピカに光るとういう、
光の全反射という性質が一致しているわけです。

　ここからは少し、大学でやるようなバンド理論
というのが分からないときついかもしれませんが、
電子のエネルギー状態は飛び飛びで、特定の
エネルギー状態だけすっぽり空いている
ことがあります。
　ガラスの場合、この空いているエネルギー
状態がちょうど可視光線のエネルギー付近
なんで、光が殆ど邪魔されず通過できます。
ただ、
　波長＝エネルギーで
光のエネルギーはその強度ではないという
原則（光電効果のところでやります）と、
電子のエネルギー状態が複雑ということから、
ガラスを通過する光も、波長ごと（つまり色ごとに）
に受ける影響が違うので、入った光と
出てきた光は厳密には同じではありません。

ガラスになんとなく色があるのはそんな
理由で、ときはわざとガラスに金属元素と
入れて電子のエネルギー状態を変えて
赤や青といった色つきガラスを作ったり
するわけです。

noname#11466 · Answer

まずは、

>光も粒子【固体）ですよね

ではありません。光は電磁波であり、波です。
おそらく光の「粒子性」を聞きかじったことがあり、そのような誤解をされたと思いますが、それは基本をふまえた上で更に考えたときに生まれてくる、もう一段高い次元の話しになります。

物質は原子・分子で構成されていますが、光の電磁波を吸収しない原子・分子で構成されている場合には、光は邪魔をされずに進むことが出来きます。それが透明な物質と言うことになります。

ご質問者の知識レベルがわかりませんので、とりあえず簡単な説明です。

光について

まずご質問者のレベルで理解するためには、光の粒子性の話しは一度忘れて考えるとよいでしょう。

>原子の最外周の電子が自由に隣の原子の電子と行き来する

すいません。

＞物を分解して、別の場所で再構成できないかなと思ったものですから

光は固体を自由に通過でき、物質粒子は全く通過できないと言うことはありません。

Ｎｏ．１のご回答は何か変です（笑）

まずは、

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