γ線、x線が光子という事ですが、光子がわかりません

Question

よろしくお願いいたします。
医学部生なのですが、生物選択生のため放射線の授業で苦労しています。

α崩壊のα線はヘリウム核が出てきて、β崩壊のβ線は電子が出てきて
というものは粒子が出てくるのでイメージしやすいのですが
粒子が出たあとに出てくるγ線、x線が光子という事ですが、この光子とはなんでしょうか。

粒子が出てくるわけではないのでエネルギーの塊ですか？

ただ、可視光線も光子というふうに聞いた事があります。

このような感じで混乱をしています。

授業担当講師への質問ではエネルギー塊という認識でよいという事でした。

高校の物理未履修者でもわかる内容で、光子についていろいろ御教授いただけたら幸いです。

よろしくお願いいたします。

ppyiam · Accepted Answer

ラジオの電波から赤外線、可視光、Ｘ線、γ線は、呼び方は違いますが全て電磁波です。それぞれが違うのは電磁波の波長だけです。ラジオの電波などは波長が長く、Ｘ線などは波長が短いです。つまり、γ線といえども、ようは電磁波であるということです。
さて、身の回りにありふれている電磁波ですが、実はとても不思議な性質を持っています。電磁波が波であることはご存じのとおりですが、物理学が発展していくにつれて、電磁波が電子などと同じように粒であると考えないと説明できない現象が次々と発見されてきました(具体例は割愛させていただきます)。電磁波は私たちが一般的にイメージする波としての性質と、粒としての性質の両方を持つ「何か」であるということが分かったのです。それに加えて、電磁波の波長が短くなるにつれて粒としての性質が大きく現れ、波長が長くなるにつれて波としての性質が大きく現れることも分かりました。これらを光の二面性と言ったりしますが、この二面性は人間の頭の中でイメージするのは難しく、光にはそういう不思議な性質があると無理矢理頭に押し込むしかないという感じです。光子というのは、この光の粒子性を強調して光を表現したい場合に使う言葉です。なお、光の波長の違いは光子のエネルギーの違いとして反映されます(波長が長いほうが光子のエネルギーは小さいです)。
Ｘ線やγ線を扱う場合は、前にも述べたとおり粒子としての性質が際立ってきますから、光を粒であると考えた方が扱いやすく、Ｘ線やγ線の正体は「光子」であるということが多いです。Ｘ線やγ線はエネルギーが高いために、照射することでさまざまな化学反応や物理反応を起こしやすく、医療にも使われるというわけです。
光子のイメージとしては光のエネルギーの塊という感じでいいと思います。

ppyiam · Answer

No.2への補足です。
＞可視光線が非電離放射線で、γ線、x線が電離放射線という部分がわかりません。

可視光線が非電離放射線で、γ線、x線が電離放射線であるというのは、可視光よりもγ線やX線の方がエネルギーが高いということに関係しています。すなわち、可視光程度の光子のエネルギーでは分子を電離させることはできませんが、γ線やx線程度の光子は分子を電離させるのに十分なエネルギーを持っているために分子に作用すると電離作用を引き起こすと言うことです。

＞光子が電離するのでしょうか？
電離はイオン化する事というのが私の理解なのですが

そのような理解で正しいと思います。イメージとしては、光子と分子が作用すると光子が持っていたエネルギー分を使って分子が電離されるという感じです。

uzu01 · Answer

光子はエネルギーの塊というイメージで正解です。
光子は本来波です。それが５個くらいの塊の波なのです。塊の波が粒子（粒子性を持ちます）です。
だから光子は波でもあり粒子なのです。

というイメージでいいと思います。

参考になれば、幸いです。

tetsumyi · Answer

光子を粒子とか波とか通常の物質の現象として見ようとすることに無理があります。
光子は通常の物理現象と違って時間も距離もありません。
ただ、電磁場を持った物体と干渉した時に粒子としての性質として現れたり波として現われたりします。
通常の物体の空間を超越した電磁場に起きる瞬間的なエネルギー現象と考えてください。
時間が計測できるのは距離と時間の関係で起きる空間の性質（相対性理論）です。
常識を超えた電磁エネルギーの塊が空間を越えて届くものと思い込みましょう。

maccha_neko · Answer

「光」が波としての性質と粒子としての性質の両方を持っている、珍妙なものであるということはなんとなく耳にされていると思います。

たとえば、スリットを二つ少し離して設けて光を当てると、スリットの反対側ではあたかも波であるかのように干渉模様が現れます。もし、光が普通の粒子であるならば、スリットをすり抜けた反対側にばらばらに届くだけで干渉なんて起きるはずがありません。
一方、金属などに光を当てると電子が飛び出してくる「光電効果」というものがありますが、このとき、光の強さを変えても出てくる電子１個あたりのエネルギーは変化しません（数が増減するだけ）。もし、光が波ならば、電子にあたった波のエネルギーを受けて飛び出すので、その分電子１個のエネルギーも増減するはずなのに、そうはならない。
一方、光の周波数（まぁ、可視光線なら色ですね）を変えると、今度は電子１個あたりのエネルギーが変わってきます。

つまり、
1)光はその周波数（振動数）に応じたエネルギーを持つ（”プランク定数”で検索してください）粒粒である
2)光の強弱というのは粒の数が変化することだ
という風に考えるとうまく説明がつくわけですね。
実はこんな風に粒粒が持つエネルギーが周波数依存であるために、「夜空に星が見える」のだっていう話があります。もし、単なる波だったら星から届いた光は弱すぎて網膜にあたっても神経を刺激できないので、夜空は真っ暗っていうことですね。

ってことで、光というのは光子という質量も無ければ電荷も無く、寿命も無い、エネルギーの塊のような得体の知れない粒が波のようになって伝播している・・つまり光と粒子の両方の性質を持ち合わせているのだという考え方に至るわけです。
「何も無いのに粒」っていうのではまるで「透明人間」のような感じで気持ち悪いですけど、今のところ、そういうものだと考えるといろいろな現象がうまく説明できるので、「たぶん、そういうことなのだろう」ということですね。

で、更にこれよりも前にマックスウェルさんの研究によって、光は電磁波とも同じものであるということがわかっています。可視光線もγ線もX線も、ラジオやテレビ放送、携帯電話の電波も皆電磁波なんですね。これが「波」の性質の面ですね。
「光が波でありながら粒子でもある」ということなのですから、ラジオやテレビにしても携帯電話の電波にしても当然「光子」としての性質もあるわけです。ただ、この程度の周波数だと、光子のエネルギーがとても小さくて、波としての性質のほうが顕著に現れるので、実務上では単に「電磁波という波である」として扱い、「粒」としての性質に配慮することはほとんどないというわけですね。

ID10T5 · Answer

No.1です。ボクは理科系出身者ですが、量子力学は教養課程レベルの知識しかありません。なので間違っている可能性があることを承知で補足します。

光子がエネルギーの塊という考え方は正直言って分かりません。光を波と捉えても波にはエネルギーがありますから光子とは直接関係ないと思います。

光の粒子性を説明しやすい現象として、光の運動量があげられます。光に運動量があるがゆえに、物質に衝突すると輻射圧という圧力を発生させます。物質に光がぶつかるとその衝撃で物質が揺らぎ振動するのです。お日様の光にあたると、太陽から遠く離れているにも関わらずポカポカするのはこの光の輻射圧によってわれわれの体を構成する分子の内部エネルギー(=熱)が増加するもの、と説明されます。

また空間をまっすぐ進んだり重力の影響を受けて経路が湾曲したりするあたりも光の粒子性と言われるゆえんです。ブラックホールという言葉を聞いたことがあるかもしれませんね。これは光子が重力で湾曲した空間に閉じ込められて出てこれなくなる物理現象です。

ID10T5 · Answer

光子とは光のことです。
光は電磁波です。電磁波は磁界と電界が相互に振動しあいながら空間を伝わっていく現象です。

実は光にはいろいろな物理的性質があって、電磁波という波としてとらえた方が説明しやすい性質(光の波動性)と、粒子としてとらえた方が説明しやすい場合(光の粒子性)があります。

そして光の粒子性を説明する場合に出てくる概念が光子という概念で、光を一種の粒子としてみなす考え方ということです。

γ線、x線が光子という事ですが、光子がわかりません

ラジオの電波から赤外線、可視光、Ｘ線、γ線は、呼び方は違いますが全て電磁波です。

No.2への補足です。

光子はエネルギーの塊というイメージで正解です。

光子を粒子とか波とか通常の物質の現象として見ようとすることに無理があります。

「光」が波としての性質と粒子としての性質の両方を持っている、珍妙なものであるということはなんとなく耳にされていると思います。

No.1です。

光子とは光のことです。

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