波の波長と透過性について質問です。 波長が短い波ほど透過性が高く、長い波ほど透過性が低いのはなぜです

波の波長と透過性について質問です。

波長が短い波ほど透過性が高く、長い波ほど透過性が低いのはなぜですか？

そもそも、波が媒質の境界で透過するというのは、ミクロな視点では何が起きているのでしょうか？

どなたかわかる方いらっしゃいましたら、高校物理レベルで教えていただけると幸いです。

No.1 回答者： dyna_1550 回答日時： 2021/08/14 13:10

浅い理解なので、真意は確認してください。

透過性というのは、エネルギーが保存されている、と私は理解しています。
単純に考えて、振動数が大きいほど（波長が短いほど）保有するエネルギーは大きくなります。

吸収する側は、物質の原子の密度などによりますが、直進性が高い波長ほど、衝突する面積が少なく、エネルギー損失が大きいと理解しています。

No.2 回答者： isoworld 回答日時： 2021/08/14 13:38

波長の長い（周波数がより低いラジオ波などの）電磁波ほど家の中にも（建物を貫通して）入って来ますが、波長の短い電磁波たとえばＣＳ放送に使われるような電磁波では激しく雨が降ると雨に吸収されて届かなくなりますし、光のような波長の短い電磁波は物質をほとんど貫通しないでしょ。

誘電体（金属以外の物質）を電磁波が通るときには誘電損失があり、その損失（吸収されて結局は熱になるのがふつう）の程度は、電磁波の電界強度の２乗、誘電率、誘電正接（tanδ）、周波数の理論式で表現でき、周波数が高くなる（波長が短くなる）ほどそれが多くなります。

またどのくらいの深さまでその物質内まで電磁波が入り込むかの浸透深さ（表皮効果）も、周波数が高くなるほど浅くなります。周波数が高いほど電磁波は物質内で早く熱になどになって無くなって行く、と考えられます。

食品を温める電子レンジ（波長の短いマイクロ波が使われている）などはその例です。食品内で電磁波のエネルギーが熱に変わっているわけ。

No.3 回答者： pcgal 回答日時： 2021/08/14 13:59

物質を通過するには、波の波長がその物質の粒子隙間よりも短い必要があります。

そうでないと途中で隙間の壁に当たり、減衰や通過が出来ないことになります。これが基本です。電子レンジやＸ線撮影も理解出来ましたか？

No.4 回答者： puyo3155 回答日時： 2021/08/14 17:43

簡単に言えば、

E = hc/λ

つまり、光子のエネルギーは波長に反比例します。

X線　　　＞　波長が短い　＞＞　エネルギーが大きい
可視光　　＞　波長が長い　＞＞　エネルギーが小さい

ということ。

ミクロのでは、原子核の周りを、電子が覆っているのですが、エネルギーの低い可視光では、その電子と相互作用してエネルギーを奪われてしまう。

ところが、X線では、波長がかなり短く、高エネルギーのため、電子にほとんど妨害されずに突き進むことができます。それが透過の実態です。

No.5 回答者： himagene 回答日時： 2021/08/14 19:12

>波長が短い波ほど透過性が高く、長い波ほど透過性が低いのはなぜですか？

これは一般的に言える事ではありません。
波は電磁波（電波〜可視光〜ガンマ線）の場合ですか。もし電磁波についてであれば、透過率や反射率は媒質との相互作用で決まります。原子や分子を構成している電子は原子核の周りに夫々が固有のエネルギー（振動周期；古典的描像では公転周期）を持って存在しています。電磁波と物質が出会うと電磁波の電場によって、原子や分子を構成している電子が振動します。その結果、吸収したエネルギー分だけ軌道が若干変わり（人工衛星のスラスターに似ています）ますが、それは不安定なので電子はエネルギーを放出して、また安定な軌道（専門用語で準位）に落ち着きます。この放出されたエネルギーが散乱波として振る舞い、入射波に比べて若干の時間遅れが生じます。この時間遅れ（位相の遅れ）が屈折率の原因です。ここの電子による散乱波は四方八方に等方的に広がりますが、原子・分子の配置によって、散乱刃の重ね合わせ（干渉）の結果、特定の方向にだけ強くなる場合があります。これが反射として観測されます。なお、原子・分子の周りの電子は電磁力（クーロン力）によって一定の軌道にいますから、電子の運動はバネの振動と似た単振動の式で表されます。つまり、それぞれの電子は固有振動数を持ったバネ振動と目なせます。そこに電磁波という外力が加わると、固有振動（固有周波数）から外れた周波数の場合には先に述べた様な振る舞いをしますが、電磁波の周波数が固有周波数に近づくと共鳴が起こります。その結果、強い吸収が起こると同時に散乱波の位相が大きくずれます。電子回路の共鳴の時のエネルギー蓄積や位相ズレと同じ式になります。電波からガンマ線まで全て基本は同じですが、固有周波数は結合（バネ）の強さによって違います。分子振動は重たくゆっくりなので遠赤外線の領域に、電子の軌道の遷移は紫外線の領域に、重たい原子核に近い電子（内殻電子）は X線の領域にあります。電子の軌道の遷移は紫外線の領域にあるので、普通の物質では共鳴周波数に近づくにつれて位相のずれが大きくなります。屈折率が短波長の光で大きくなっているのはこのためです。
まとめると、電子との相互作用の仕方が、結合の強さによって変わるので屈折率に波長依存性が現れると言えます。
音波はまた別です。音は物質の変形（圧縮、膨張）によって伝わります。