電磁波の周波数と熱について教えて下さい。電磁波の波長とエネルギーについて、雑学として興味があります

Question

電磁波の周波数と熱について教えて下さい。

電磁波の波長とエネルギーについて、雑学として興味があります。
素人でありますが、お付き合い頂けたら嬉しいです。

以下、熱とエネルギーを区別して考えて話を進めさせて頂きます。

【前段　読み飛ばして頂いても結構です　】
以前の質問の中で、
物体の持つ熱は電磁波で放射され、その物体の熱量によって放射される電磁波の波長も変わることを学びました。

熱を持った物質の色と言ったら、炎も含めて、赤や黄色、青などを普段目にします。

しかし、熱を与える電磁波として見たら、やはり赤外線（に近い周波数の電磁波？）だけが物質に熱を与えるように「思え」ます。

コンロの炎の横に手を翳してもあまり熱く感じませんし、多分熱を持った気体が直接触れる事で物を加熱できるのだと解釈しています（熱伝導？）。

【質問です】
そこで疑問なのですが、
電磁波には電波と呼ばれるものから、可視光、X線、ガンマ線など波長の短いものまで幅広く存在しているなか、赤外線だけが熱を伝えるのか、実はそうでは無いのかを知りたいです。

電磁波のエネルギーとして考えた場合、波長が短い方が高いエネルギーを持っていると思っているのですが、可視光やレントゲンなどでは「熱」を感じません。
熱を持ちやすい白熱球についても調べましたが、可視光だけでなく強い赤外線を出しているようです。

熱とは分子や原子の運動量であり、
電磁波のエネルギーを受けて、分子や原子の運動量が上がった結果、熱量が上がると解釈しています。

X線や放射線の類なら「貫通するから」…とも思ったのですが、私の経験上、可視光や紫外線はそんなことありませんよね…。

…と
ここまで書いていて思ったのですが、
反射も貫通もしにくい性質を持っているのが赤外線だったりするのでしょうか…。
しかし、赤外線カメラはカメラの周りから赤外線を照射して、多分その反射で対象を見ますよね…。

以下はオマケ的な要望ですが、
なぜ波長により違いが出るのかも、ご教授頂けると嬉しいです。

後半まとまりがなくなってしまい、申し訳ありませんが、宜しくお願い致します。

yhr2 · Accepted Answer

No.2 です。「お礼」や「補足」に書かれたことについて。

まずは「熱とは分子の運動エネルギーである」ということ知る必要があります。
そして、電磁波（可視光、赤外線、電波、マイクロ波など）が「加熱」するとは、その波長や振動数が相手の分子にエネルギーを渡すことを意味します。

水やCO2，メタンなどの「双極子構造の分子」に対しては、赤外線の波長がちょうど共鳴してエネルギーを吸収されやすいのです。（それが「温室効果ガス」と呼ばれるゆえんです）
アスファルトも主な分子は石油由来の炭化水素であり、メタン（CH4）などと同じ元素からなる化合物なので、同じような赤外線で熱をもつのだと思います。また、「色が黒い」ということは可視光線を反射せずに吸収しているということなので、可視光線の波長のエネルギーも吸収しているのでしょう。

電子レンジは、赤外線とは異なる振動数の「マイクロ波」を使い、分子に振動エネルギーを与えることで「熱」を与えますが、そのメカニズムは赤外線によるものとは異なるようです。ただ「水分子に運動エネルギーを与える」というところは同じです。

人間や動物の目が「光」を感じるのは、目の網膜内の神経細胞が、可視光線の振動数（波長）の電磁波でエネルギーを受けて、それを脳に伝達するからです。

また、ガンマ線やX線などの放射線は、振動数が極めて大きい電磁波ですが、これは「分子」よりもっとミクロな「電子」にエネルギーを与えて電離させ、生体の細胞内で電離（つまり分子の結合を切断）することで細胞を死滅させたり異常細胞（つまり癌）を作ることで、生体に悪影響を与えます。
この場合には「熱を与える」という現象ではなく「電子をはじき飛ばす」という現象です。振動数が大きいので「波長」が短く、「分子レベル」ではなく「原子の中の電子レベル」の波長で共鳴を起こすと考えればよいと思います。

つまり、電磁波が与える影響とは、その電磁波の「波長」と物質の大きさ（目の網膜細胞の大きさ、水やCO2などの分子の大きさ、原子内の電子の大きさなど）との関係で「エネルギーの受渡し」が行われることによるものと考えればよいと思います。
そのうち「水分子や炭化水素分子に渡された運動エネルギー」が「熱」という現象として現れるということです。

isoworld · Answer

電磁波が物体（誘電体）に照射されて加熱されるモードを誘電加熱と称します。誘電体とは金属以外の物体です。人間も誘電体です。
似たようなのに誘導加熱というのがありますが、これはまったく別モノです。

どれだけ熱エネルギー（Ｐ）になるかというと、次の式のようになります。

Ｐ＝1/2・ω・ε・tanδ・E^2

ω＝２πｆ（ｆ：周波数）
ε：その誘電体の誘電率
tanδ：誘電正接
Ｅ：電磁波の電界強度

電磁波が当たってどれだけ熱エネルギーになりやすいかというと、その物体のεとtanδによります。

たとえば水（純水は除く）はε・tanδが大きいので、水分が多い人体や食品はは加熱されやすいんです。お酒もそうです。

なので、電子レンジでマイクロ波を照射すると、食品やお酒は効率よく温まります。逆にガラス、陶磁器、セラミックスはε・tanδが小さいので電子レンジではほとんど加熱されません。
お皿に食品を載せて電子レンジに入れて加熱すると、食品はよく加熱されてもお皿はほとんど発熱しません。

tsukin-cyclist · Answer

補足についてのみ

白熱球よりも効率よく暖まる物質というのは無いと思います。熱として検知されるのは、赤外線領域の電磁波長ですから、これより高エネルギーの光を当てても、なかなか温まりません。例えば、紫外線を効率よく吸収反射する日焼け止めの成分なども、熱に変えてしまったら暑くて夏場に使えなくなります。放射失活という熱にならないエネルギー放出過程があり、これにより多くのエネルギーを放出してしまうので、温まりにくいです。

アスファルトはほぼ全ての光を吸収していると思います。黒っぽい色は、可視光の殆どを吸収します。

水と2.4GHzの電磁波（もう少し高い周波数が吸収のピークなのですが、工業利用を許される周波数帯を利用している）を利用する電子レンジのように、分子レベルの誘電損失を熱として利用する組み合わせがありますね。

isoworld · Answer

白熱球よりも効率よく温まる…という意味は、その発熱体（白熱球、蛍光灯、LEDライト）自体がよく温まるということですか？　それともそこから発せられた電磁波（光線など）を浴びた人間が温められるということですか？

波長が数ｍｍくらいから数１０ｃｍくらいの電磁波が体内で熱になりやすいと思われます。電子レンジで使われているマイクロ波などがそうです。

yhr2 · Answer

＞赤外線だけが熱を伝えるのか、実はそうでは無いのかを知りたいです。

電磁波はどんな振動数であってもその振動数と振幅で決まるエネルギーを運びます。
赤外線は、生体にあたると皮膚近辺の「水分子」にエネルギーを与えやすい振動数なので、生体・人間にとって「暖かくなった」ように感じます。

これは、CO2 が赤外線付近の振動数のエネルギーをため込んで「温室効果ガス」となるのと同じように、H2O がいわゆる「双極子」構造の分子であることによります。
↓
https://butsurimemo.com/global-warming/

人体にとって「暖かい」と感じるのが「赤外線付近の振動数」であるだけであって、赤外線だけがエネルギーを運んでいるわけではありません。

isoworld · Answer

電波は正しくは電磁波です。「電磁波には電波と呼ばれるもの」があるわけではありません。

すべての電磁波はエネルギーを伝えます。赤外線だけが熱を伝えると思うのは、人体に赤外線が当たったときに適度な深さに体内に浸透して熱になるからです。

紫外線は人体に当たったときに体の表面（皮膚）で熱エネルギーになってしまい、日焼けはしても温かいとか熱いという感覚ではなくなります。

ラジオ波（中波とか短波など）も電磁波（電波という人がいる）ですが、これが人体に当たると一部は人体内で熱エネルギーになりますが、貫通するものが多くなります。

「赤外線カメラはカメラの周りから赤外線を照射して、多分その反射で対象を見ますよね…」は違います。人体そのものが赤外線を発しています。

電磁波の周波数と熱について教えて下さい。 電磁波の波長とエネルギーについて、雑学として興味があります

No.2 です。

電磁波が物体（誘電体）に照射されて加熱されるモードを誘電加熱と称します。

補足についてのみ

＞赤外線だけが熱を伝えるのか、実はそうでは無いのかを知りたいです。

電波は正しくは電磁波です。

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