光の粒子性と波動性

Question

光は波動性に基づく動きをしているように考えられていたが、
実はごく弱い光を観測してみると粒子性を持った動きをする
とありました。

どういう意味ですか？
教えてください。

brogie · Accepted Answer

夜空の星の話です、説明不足でした。
補足します。

6等星のような弱い光の星（弱いとは光の量が少ないということです）を見ていると普通の人なら見えます。このとき、目を閉じ、もう一度目を開けた瞬間に見えるのは光が粒子でないと説明できないということでした。

この光の粒子性のことを光子（こうし：エネルギーE＝ｈν）と言います。視神経が感知するには約100個の光子が必要だそうです。1個の光子でも認識できるという人も居られます。このように目に感じるのはハッキリと光子だという以上、光が波では説明できないのではないでしょうか？

ここの「教えて」はいろんなレベルの方が読まれていることを考えて、分かり易い言葉で説明することに努めています。

brogie · Answer

光が粒子性でないと説明できない現象を紹介した方が良いでしょう。

夜空を見上げて御覧なさい。目を開けた瞬間に見えるでしょう。------　光が波だとすると、視神経を刺激して見えるまでには数秒はかかるでしょう。

光合成も光の波動性では説明できません。

われわれが日焼けするのも光が波動ではやはり説明できません。

これらの現象は皆、光が粒子性でないと説明できない現象です。光を段々弱くしていっても長時間たちますと、日焼けします。光が波だと、光を弱くすれば、日焼けをさせるようなエネルギーはないはずです。

では、ついでに、光が波でないと説明できない現象も紹介しておきます。

干渉と回折です。以前、ニュートンリングの質問がありましたが、これは光の干渉です。

hiropiro · Answer

光を検出できるものがあり、それは光があたると色が変わるとします（わかり安くするために
そのように言っときます。便宜上、以下これを「画面」と呼びます。）
そして、ものすごく弱い光を２つのスリットを通して、画面に当てると、光は勿論、波動性がある
ので、干渉して、干渉縞が画面上に現れます。しかし、その干渉縞ができる過程は、画面に
つぶつぶが徐々についていって、そのつぶつぶの跡が多数重なっていくと、干渉縞ができあがる
というぐあいになっているのです。干渉縞ができるのは、光の「波動性」で、また、つぶつぶができ
るのは光の「粒子性」です。こういう実験を見た事があります。

これがもし強い光だと、一気につぶつぶが画面について、いきなり干渉縞ができあがるように見える
ので、粒子性は観測されない、ということだと思います。

brogie · Answer

質問者の補足にお答えします。
例を光合成にしましょう。

光合成するには一定以上のエネルギーが「一度に」必要です。

例えば、跳び箱を超えるには、その高さを飛び越えるだけの運動エネルギーが必要です。それ以下のエネルギーで何回跳び箱に走っても飛び越えることは出来ません。一度にそれだけの運動エネルギーが必要なのです。

次に、光電効果を例にしましょう。

真空中で、金属に、光を当てると電子が飛び出してくる現象です。

波長の長い光を長時間あてても、電子は全く出てきません。しかし、波長の短い光を当てると、その瞬間に電子が飛び出してきます。一定振動数より大きな光でないと、光電効果は起こりません。

可視光線より、紫外線が波長が短い光です。X線よりγ線がもっと短い光（電磁波）です。紫外線が多いときに、日焼けをするのはそのためです。

疑問点がありましたら、また、補足欄に書いてください。

kajuram · Answer

どのような本にそのような嘘の解説が書いてあったのでしょうか？

強い光であろうと、弱い光であろうと波動性と粒子性の両方を示します。

それと、光の弱いと強いをどのように定義しているのでしょうか？
通常、光の強度とエネルギーに関係はありません。

>夜空を見上げて御覧なさい。目を開けた瞬間に見えるでしょう。
>------　光が波だとすると、視神経を刺激して見えるまでには数秒は
>かかるでしょう。

何のことでしょう。
この説明で、粒子性と波動性の違いを理解できたのでしょうか？
私には、理解できません。

光の粒子性は、光電効果を説明するために必要です。
波動性は、干渉や解説の説明に必要です。

motsuan · Answer

光は粒つぶだなぁと思うと２つの性質で光の強さが決まります。
　ひとつは光の振動の速さ（振動数）によるもので、赤外線はあったかいだけだけど
紫外線は日焼けするみたいに原子や分子に与える影響が異なります。
ちなみに、携帯電話でおなじみの電波も光の一種ですが、日焼けしたりしません。これは、振動数が低いためです。逆に、レントゲン写真でおなじみのＸ線は振動数が高くＤＮＡを傷つけてしまうくらい強力です。
　もう一つの性質は、粒つぶの数です。これは、ちりもつもれば山となるで、振動数が低い光でもたくさんあつまると大きなエネルギーになります。電子レンジは周波数としては目に見える光よりだいぶ振動数が低い光（電波）でも、水分子の振動数に共鳴するようなものを大量に発生させることで食べ物をあっちい状態にしています。
　さて、ご質問の「弱い光を観測してみると粒子性を持った動きをする 」というのは
光が数えられるくらい、粒が少ないとき、（フォトンカウンタで）１個２個．．．と数えられる、といっているだけのように思います（レーザーのような位相が揃った波の場合は実は粒子数の揺らぎが大きくなって絶対量としての粒の数をうまく数えられなくなります＝そして、これを端折ったのがご質問の解説ではないでしょうか）。しかし、べつにたくさんあっても、粒は粒です。どちらかというと、前半で述べたような周波数の高い光のほうが（したがって、あるいみ強い光のほうが）、波としての粒子としてみなせると考えるのではないでしょうか（波らしいい性質としての回折が少ないため）。

minya3 · Answer

ニュートン力学では粒子と波動は別の存在であり、両方の性質を持つ存在はありえない、古典論では粒子は物質であり、はどうは物質の運動＝現象である、つまり粒子と波動は両立しえないものである。
しかし、古典物理学では、粒子とされていた電子が、波動性をもち波動と把握されていた光が粒子性をあらわす実験結果が発見され、「粒子－波動のニ重性」と言うものがあらわれたそうです。
学校で習ったことですけどね。
光電効果とかコンプトン効果とかヤングの干渉実験（粒子＝非干渉、波動＝干渉）など色々調べてみるといいかもしれませんね。
つまりは、kajuramさんの回答が的を得ていると思います。

kajuram · Answer

物理分野の性質を理解するのに、やはり生物の知識が必要な例を
持ち込んでくるのはどうかと思います。
なぜなら、視神経を刺激するためにはなぜ光子として考えなければならないか、
つまり視神経が光から刺激を受ける仕組みを理解していなければならないからです。
そこで、きちんと光電効果から光の粒子性を説明しましょう。

また、私の前回の書き込みで少し間違いがあったので、訂正します。

>光の強度とエネルギーに関係はありません。
　　全エネルギーと強度は関係がありますね。

では、光電効果の説明をします。

真空中におかれた金属に振動数νの光を当てます。
この光のエネルギーはプランク定数ｈを用いて、ｈνと表されます。
このとき、νを変化させると運動エネルギーＫを持った電子が真空中に
放出されます。
このときの運動エネルギーＫは
　Ｋ＝ｈν－Ｗ
と表されます。ここで、Ｗは仕事関数と呼ばれ、金属の種類によって
決まっている量です。
この式からわかるように、光の振動数νがある大きさを越えないと、
電子は真空中に放出されません。
次に、振動数は一定で、光の明るさ（これが光の強さと言われている）を
変化させます。
光の強さを変化させても、放出される電子の運動エネルギーは変化しませんが、
放出されてくる電子数が変化します。
暗くすると、放出される電子数が減少するのです。
このような減少を説明するとき、振動数νを持った光はエネルギーｈνを持った
粒子であると考え、その明るさは粒子の個数ｎの大きさで表されると考えると
説明できます。


>実はごく弱い光を観測してみると粒子性を持った動きをする

　したがって、これはごく弱い光でも光電効果が起こるためには、光が粒子性を
　持っていなければならいというふうに書いてあったのではないでしょうか？ 

しかし、弱い光でも干渉や回折、反射をするので波動性がないわけではありません。

あと、光の強度と全エネルギーについての説明です。
光の全エネルギーは１つの光子が持つエネルギー（ｈν）を全粒子数（ｎ）倍すればいいので、

　　Ｅ＝ｎｈν

となります。
強度が小さくなると、粒子数ｎが減少するので、全エネルギーは減少します。
ここで注意してほしいのは、全エネルギーが小さくなると強度が小さくなると言うことは
いえないと言うことです。

わからないことがあれば、追加質問してください。
できる限り、詳しく説明するように心がけます。

Hikaru99 · Answer

弱い光という言葉の定義が良くわかっておりませんが、
光の粒子性は、光電効果から説明することができます。

光は波動か？粒子か？、歴史上の多くの物理学者たちが、この疑問の解明に取
り組みました。光の反射、屈折などが、波動説・粒子説の立場で説明されまし
たが、最初に軍配をあげたのは波動説でした。光が干渉を起こす現象が粒子説
では説明できなかったからです。このため、しばらくの間は光は波動であると
信じられてきました。ところが、光電効果という現象が見つかりました。光電
効果は真空中の金属に紫外線などの短い波長の光を当てると金属内の自由電子
が外へ飛び出してくる現象です。光電効果を詳しく調べてみると、興味深い現
象がいくつか見つかりました。

(1) 電子は光があたったとたんに金属の外へと飛び出してくる。
(2) 光の波長を変えて実験してみると、飛び出してくる電子の運動エネルギー
　　は光の波長が短いほど大きい。
(3) ある波長より長い波長の光では、光の明るさをいくら強くしても電子は飛
    び出してこない。
(4) 電子が飛び出してくる波長の光では、光の明るさに関係なく光が飛び出し
    てくる。
(5) 光の明るさを強くしても飛び出してくる電子の運動エネルギーは変わらず、
　　飛び出してくる電子の個数が増加する。

電子の運動エネルギーが光の強さに無関係という結論が、光の波動説に大きな
衝撃を与えました。光が波なら光を強くすれば光のエネルギーが大きくなり、
飛び出してくる電子のエネルギーも大きくなるはずだからです。また、光が波
なら、いかなる波長の光でも、明るさを強くするか、あるいは十分に時間をか
ければ、電子はエネルギーを蓄積して金属の外へ飛び出してこなければなりま
せん。しかし、結果は予想に反したのです。光の波動説はここで大きくつまづ
くことになりましたが、一方で波の性質を示す光を目の前にして多くの物理学
者が頭を悩ませました。
　この光電効果の不思議な現象を正しく説明したのがアインシュタインでした。
彼は一九〇五年に「光はその振動数に比例したエネルギーをもつ粒子（光子ま
たは光量子）である」という光量子説を発表し、光電効果から光の正体を解き
明かしました。彼は光が弾丸のような粒子だったら、(1) のように、光がぶつ
かったとたんに電子が飛び出してくるのは不思議ではないと考えました。また、
光は振動数に応じたエネルギーをもつ粒子であるため、光の明るさを強くして
も光子一個のエネルギーは変わらないと考え、(2)～(4)の現象を説明しました。
さらに光の明るさが強くなるということは、光子の数が増えることであると考
え、(5) の現象を説明したのです。アインシュタインが、光が粒子の性質と波
の性質をあわせ持った光子であることを見事に結論づけたことによって、光の
波動説と粒子説の論争に終止符が打たれることになったのです。

参考：光と色の１００不思議（東京書籍）
　　　ブルーバックス物理のＡＢＣ（講談社）

参考URL：http://homepage1.nifty.com/kuwajima/lac100/

光の粒子性と波動性

光が粒子性でないと説明できない現象を紹介した方が良いでしょう。

この回答への補足

光を検出できるものがあり、それは光があたると色が変わるとします（わかり安くするために

質問者の補足にお答えします。

どのような本にそのような嘘の解説が書いてあったのでしょうか？

光は粒つぶだなぁと思うと２つの性質で光の強さが決まります。

ニュートン力学では粒子と波動は別の存在であり、両方の性質を持つ存在はありえない、古典論では粒子は物質であり、はどうは物質の運動＝現象である、つまり粒子と波動は両立しえないものである。

夜空の星の話です、説明不足でした。

物理分野の性質を理解するのに、やはり生物の知識が必要な例を

弱い光という言葉の定義が良くわかっておりませんが、

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