電磁波の波長の長さの順とエネルギー

電子レンジはマイクロ波で温まります。
遠赤外線のカーボンヒーターは、暖かく感じます。

可視光は特に変化を感じません。

紫外線は肌に良くないと聞きます。
レントゲン写真ではX線が体を透過します。
放射線はDNAを破壊する？と聞きます。

電磁波の波長は短い方がエネルギーが大きいと習いましたが……

私の直感では、遠赤外線やマイクロ波は熱をもたらすので、エネルギーが大きい
可視光はエネルギーが小さい。
放射線や紫外線は人体に影響を及ぼすので、エネルギーが大きい。
というイメージです。

ただ単に、放射される電磁波の量というか、密度の桁が違うだけなんでしょうか？

専門的に学ばれている方には
的外れな質問かもしれませんが
ご回答のほど、よろしくお願いします。

No.8 回答者： hitokotonusi 回答日時： 2013/04/25 12:18

長い回答がたくさん付いていますが、簡単に言えば、電磁波が物質に与える影響には、[A]電磁波そのもののエネルギーと、[B]物質が吸収する割合の二つの要素があるということです。

高いエネルギーの電磁波でも素通りしてしまえば何の効果も及ぼさない一方で、低いエネルギーでも全量吸収すれば影響は大きい。

150キロの豪速球が自分めがけて飛んできても「当たらなければどうと言うことはない」ですが、80キロのスローカーブでも当たれば痛い。

そういうことです。

No.7 回答者： rasuka555 回答日時： 2013/04/24 23:28

既に回答がありますように、マイクロ波や遠赤外線はエネルギー量としては低いものです。

周波数が高いほど直進性が強く、さまざまな障害をまっすぐ通り抜けようとします。
周波数が低いと逆に回折しやすく、障害物に対して折れ曲がって進みます。

よく勘違いされがちですが、電子レンジは共振で過熱しているわけではありません。
水の共振振動数は電磁波で言う赤外線の周波数に属しています。
電磁波によって、水分子を構成する、プラスとマイナスの電子に影響を与え、
隣り合った水分子全体としての動きが電磁波の振動にわずかに遅れる形で発生するので、
そのずれからエネルギーが発生しています。
なので、水が氷になると、隣り合った分子同士のつながりが固く、
マイクロ波では振動が速すぎて加熱できません。
氷を溶かせるように振動数を落とすと今度は水の振動が追いつくので過熱されません。

平らな板にボールを乗っけて並行に揺さぶっているのを考えればわかりやすいかと。
早すぎると動くより前に逆方向に力が加わって実質動きませんし、
遅すぎるといたと一緒にボールは動く。
その間の速さなら慣性で逆方向の力に大して一瞬送れて動き出す。

http://www.cm.kj.yamagata-u.ac.jp/atom11archive/ …

No.6 回答者： Tann3 回答日時： 2013/04/24 20:24

　専門家というわけではありませんが。

　質問者さんは、ご自分の「五感」でエネルギーを考えているということだと思います。（放射線は五管には感じないので「知識で考えている」ということでしょうが）

　人間の五感ではなく、もっと物理的・即物的に考えればよいと思います。電磁波のエネルギーは、それがどのように他の物質と相互干渉し、どの程度のエネルギーを渡すか、ということで相手（人体など）に影響を与えます。
　「相互作用」は、「反射」「吸収」「共鳴」「透過」などいろいろです（「透過」は相互作用しない、ということです）。「吸収」にも、物理的、化学的、生物学的、といろいろなレベルがあります。さらに、何％が反射（又は透過）して、何％が吸収されるか、といった「エネルギー伝達効率」も関係します。


　電波（振動数：30kHz（長波）～3THz（サブミリ波）、波長：0.1mm～10km）は、勉強不足でよく分かりませんが、人間の体とは相互作用しません（おそらく「反射」だと思います）。ただし波長が長いので、回折作用で迂回します。電波は、そういった回折や反射で、直線では見通せないところにも届きます。

　電子レンジの電磁波は、周波数2.45GHz（波長：約12cm）のマイクロ波で、主に「水」の分子間の結合を共鳴させる波長のようです。電子レンジの中の、「水を含む物質」と相互作用し、共鳴による振動で熱を発するわけです（熱自体が、物理的には物体の振動です）。従って、水を含まない物質（ガラスや陶器など）は加熱できません。
　電子レンジに生物を入れて加熱すれば死亡します。人間も同じです。電子レンジの中は、相当なエネルギー密度で、かつ水分子にエネルギーを渡す効率が極めて高いということなのでしょう。
　周波数的には、無線LANや携帯電話と同じ周波数帯です。携帯電話をかけても電子レンジのように耳が熱くならないのは、エネルギー密度の関係だと思います。（電子レンジは500W～1000W、携帯電話の出力は0.8W程度だそうです）

　赤外線は、電波と可視光線の間で、振動数：0.3THz～500THz、波長：0.7μm～１mmです。人体内の水分子が、皮膚から数mmの範囲で共鳴して振動し、暖められるということです（原理は電子レンジと同様）。よりマイクロ波に近い波長（波長が長い）の「遠赤外線」の方が、暖め効果は大きいようです。

　可視光線（波長：380nm～750nm）は「エネルギーが小さい」ような印象とのことですが、逆に、人間の目の網膜と相互作用して、脳に送る電気信号を発しているわけです。神経に電気信号を発生させるというのは、結構なエネルギーではないでしょうか。（直接太陽を見ると、瞳で絞っても限界を超えてしまう程のエネルギー）。マイクロ波や遠赤外線が水分子と相互作用したように、可視光線は網膜の神経のたんぱく質と反応する波長なのでしょう。
　また、可視光線が見えるということは、人体を含め、この世界に存在する「固体」のほとんどが、可視光線を反射するということです。（空気などの「気体」、水などの「液体」は可視光線を透過させるものが多い。この違いは何なのでしょうね）

　これより波長の短いものが、紫外線（波長：10nm～400nm）です。生物学の知識がないので詳しいことは分かりませんが、可視光線が目の網膜の神経細胞と相互作用するように、紫外線は生物のたんぱく質レベルと相互作用しやすいようです。そのため、殺菌作用があるといわれています。人間の皮膚は、この「生体破壊」作用に対して、「日焼け」することで防御するようです。可視光線よりは、皮膚の奥にまで届くのでしょうか。

　より波長の短い放射線（波長：数nm以下、X線、ガンマ線））になると、物質を構成する分子や原子のレベルで、その隙間を通過するようになります。ただ通過してくれればよいのですが、そこにある原子核や電子と相互作用します。レントゲン（X線）撮影で体内の画像が映せるのはそのためです。
　原子核は重いので電磁波を反射するだけですが、電子は弾き飛ばされて「電離」することがあります。それが、DNAや染色体を形成するたんぱく質だと、たんぱく質の分子配列が分断されて遺伝的な障害を起こすことがありますし、たんぱく質の一部を壊してがん細胞を作ることもあります。
　これはエネルギーの大きさというよりも、たんぱく質を構成する原子核や電子レベルでの相互作用だからということです。放射線の影響は通常の物質でも起こりますが（たとえば金属に格子欠陥ができてもろくなるなど）、生物に関してはたった1個のがん細胞やDNA欠陥が致命的な影響を与え得るという意味で、感受性が非常に高いということです。（もちろん、生物ゆえの「修復性」もあるので、確率・統計的な話ですが）

　以上のように、どの大きさのレベルで、どのような相互作用をして、エネルギーを伝える効率がどうか、という種々のことが関係している、ということかと思います。しかも、相互作用する相手がただの物質の場合と、人体などの生体の場合とで、その影響度合いが異なる、というわけです。

No.5 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2013/04/24 14:37

　とっても簡単な理由です。

もちろん、この場合はE=hν、そのまま、「電磁波の持つエネルギーは振動数に比例する」の話で良いです。
　一休さんと釣鐘の話をご存知だと思いますが、次のような実験を見たことありませんか？
　様々な音程の音叉を並べて、その集団に向かって音を出すとその音に共鳴する音叉だけ振動を始めます。音源から発したエネルギーのうち、周波数が合うもののみ音叉にはエネルギーが伝わりますが、他の音叉には音が伝わりません。そのため音は通り過ぎるだけ。

＞電子レンジはマイクロ波で温まります。
　　水分子が共鳴して振動します。
＞遠赤外線のカーボンヒーターは、暖かく感じます。
　　いわゆる熱線ですべての粒子の熱振動あたりの振動数に一致する
＞可視光は特に変化を感じません。
　　しかし、視細胞のレチニールなどには吸収されます。
＞紫外線は肌に良くないと聞きます。
　　高い波長の紫外線はDNAを破壊するエネルギーと振動数を持っています。
　　　そのため皮膚のごく表面で吸収され破壊的な影響を及ぼします。
　　低い周波数のものは、ビタミンの合成などに必須です。
　　　相当、深部まで侵入します。
＞レントゲン写真ではX線が体を透過します。
　　これだけのエネルギー--振動数の電磁波を吸収するものがないので通り抜けます。
＞放射線はDNAを破壊する？と聞きます。
　　放射線のうちのγ線を想定されているとして、X線と同じです。

　先ほどの音叉の実験でも、大量に共鳴する音叉が置かれていたら、それに吸収されてその集団の背後では音が小さくなります。しかし、周波数を外れると---高くても低くても---通り過ぎてしまいます。

＞専門的に学ばれている方には
　専門も何も、小学校生相手の実験でも見せる程度の内容です。いえ、一休さんの話からも・・
　波はそのエネルギーを吸収しうる-共鳴しうる何かがないと吸収できないという単純な理由です。
　身近な例だとガラスは可視光線は透過するということは可視光線の光を吸収しうる構造がないということです。しかし、紫外線も赤外線も吸収しますね。なぜだか、もう分かるでしょう。

No.4 回答者： GPRO999 回答日時： 2013/04/24 12:49

電磁波を語ると限りなく広がり大変なことです

電磁波の領域というものを心得ておけば何事も理解しやすいでしょう

１：電磁波の領域とエネルギー論は分けて考える
　　（領域はWebで確認できるでしょう）

２：私たちの生活と電磁波の作用を理解しておく
　　＊ラジオ・テレビ・携帯電話といった通信系と電波の領域
　　＊熱を電気のエネルギーで発しているもの
　　＊太陽光をはじめ、光を発光させる領域もの
　　＊見えない領域で波長が短くなる領域
　　　（紫外線・X線・ガンマ線など放射線と言われている領域）

熱・光で私たちの有感・無感に限らず電磁波が作用しているものが
生活に影響しているのだ！という認識を持つことですね、

No.3 回答者： lazydog1 回答日時： 2013/04/24 11:50

　電磁波の強さというのは、二つの意味があると考えてください。

　一つは、同じ波長でも、たとえば可視光なら『明るさ』ということです。これは、量が多いかどうかになります。

　これを温度で喩えると、たとえば50度の水の流れがどれだけ大量かということになります。0度の氷10グラムを溶かすとして、50度の水が多ければ多いほど、速く氷を溶かせます。

　もう一つは、光としての量が同じなら、どれだけのエネルギーがそれに込められているかということです。これには、光は粒子でもあるということで言われる「光子」の数だと考えると分かりやすいかもしれません。

　光子一つのエネルギーは、振動数をλとすると、E＝hλ（hは比例定数でプランク定数と呼ばれる）と表されます。振動数が多いほど、つまり波長が短いほどエネルギーが高いわけです。

　温度で喩えると、同じ1リットルの水でも、50度と100度では100度の方が大きなエネルギーを持っています。溶かせる氷の量が多く、あるいは同じ量の氷を速く解かせることになります。

　光が波としての性質を持つだけなら、もしかすると光が量として多くてエネルギーが大きいのか、光の質として、つまり光子1個当たり換算でのエネルギーが高くてエネルギーが大きいのかは、大した差ではなかったかもしれません。

　しかし、光電効果という光が金属に当たって電子が飛び出す現象では、量か質かは決定的な差があります。ある波長より長い光では、いくら光を明るくしても金属から電子が飛び出さないのです。

　それ以外にも、ご質問文で例として挙げておられるように、光（電磁波）がどれだけ物質を透過するか、透過しきれずに物質と相互作用するかには、波長が関係してきます。

　波長が短いほど、激しく揺れながら進むため、物質とぶつかりやすく、止まってしまいやすいのですが、その反面、エネルギーが高くもなるため、多少ぶつかったくらいでは止まりません。

　そのため、赤外線では焦げることはあっても日焼けのような作用はなく、紫外線になると日焼けを起こし、オゾン層で止まるほど短い波長の紫外線ともなると皮膚がんの原因となります。それ以上に波長が短いX線は体をかなり通過できるため、厳密な管理の下にX線撮影で医療に使われますし、γ線の危険性はよく知られています。

No.2 回答者： chie65535 回答日時： 2013/04/24 11:47

＞電磁波の波長は短い方がエネルギーが大きいと習いましたが……

http://homepage2.nifty.com/eman/dynamics/wave_en …
の「振動数に関係ない場合もある」を読むと良いだろう。

＞私の直感では、遠赤外線やマイクロ波は熱をもたらすので、エネルギーが大きい可視光はエネルギーが小さい。

間違い。

遠赤外線は対象物を直接暖めるはたらきはありません。マイクロ波もそうです。

遠赤外線の場合、どんな生物も自ら遠赤外線を出しているため、外からの遠赤外線と自分が出す遠赤外線が共振して、共振による摩擦熱により温まる、と言われています。

マイクロ波の場合は、物体に含まれる水の分子がマイクロ波により振動し、振動による摩擦熱で温まります。

＞私の直感では、遠赤外線やマイクロ波は熱をもたらすので、エネルギーが大きい
＞可視光はエネルギーが小さい。
＞放射線や紫外線は人体に影響を及ぼすので、エネルギーが大きい。
＞というイメージです。

すべて間違い。

「共振しやすい」とか「波長が合っている」とかの理由で「影響を受けやすい場合」は、エネルギーが微小でも多大な影響を受ける。

「まったく共振しない」とか「波長が合ってない」とか「全部通り抜ける」とかの理由で「影響をまったく受けない場合」は、エネルギーが超巨大でも何の影響も受けない。

なので「影響の受けやすさ」と「エネルギーの大きさ」は比例しない。

確かに「影響を受ける度合い」と「エネルギーの大きさ」は比例するけど「影響の受けやすさ」と「影響を受ける度合い」はイコールではない。

No.1 回答者： system110 回答日時： 2013/04/24 11:45

E=hｖ

Eはエネルギー
hはプランク定数
νは周波数

電磁波の波長は短い方がエネルギーが大きい