光の波動性と粒子性について

質問タイトル
基本的な質問で申し訳ないのですが、
光という概念は波長でいうとどこからどこまでと理解すればよいのでしょうか。
光は電磁波であるとして、まさか電磁波はすべて光とは言わないですよね。
光の特徴である波動性と粒子性は、電磁波すべてに当てはまるのでしょうか？

「フォトカウンティングCT」という技術とかみると、
https://jp.medical.canon/products/computed-tomog …
X線でも粒子的性質を利用しているように思えます。

ということで、質問は「あらゆる波長の電磁波に粒子性もある」と理解してよいのでしょうか。
そうした疑問を持たずに人生を過ごしてきてしまったので、
今さら質問するのはお恥ずかしいのですが、よろしくお願いいたします。

No.2 ベストアンサー 回答者： tsumina 回答日時： 2023/09/30 21:17

＞光は電磁波であるとして、まさか電磁波はすべて光とは言わないですよね。

コンテキストによります。可視光を光と呼ぶのが、日常生活では正しい。物理の世界では、電磁波＝光　でと言って差し支えない。

＞光の特徴である波動性と粒子性は、電磁波すべてに当てはまるのでしょうか？

当てはまります。しかし、光子のエネルギは振動数に比例（波長に反比例）しますから、電波と言われるような、振動数の低い（波長が長い）場合は、微小エネルギーとなり、ほぼ連続的にエネルギーが変化するただの波に見えるということ。結果として、粒子性が観測できるのは、振動数の高いものだけになります。

この回答へのお礼

tsumina さん、ありがとうございます。

> 電磁波＝光　でと言って差し支えない。
> 光子のエネルギは振動数に比例（波長に反比例）・・・
なるほどなるほど、そういうことですか。
大変勉強になりました。

お礼日時：2023/10/01 10:15

No.8 回答者： abikon990-08321-3-29 回答日時： 2023/10/10 09:24

＞これは「素粒子と宇宙の疑問」という本で、勉強できるのでしょうか？

そうです。

光は、素電子プラズマを媒質とする、縦波でも横波でもない特殊な波である。

(1) 電子の赤道周囲は電場になっており、電場を形成する素電子の自転軸は電子を中心に放射状に並んでいる。

(2) 電子が画面奥に動くとその影響で素電子の自転軸が90度回転して同心円上に並び、電場aは電磁場になりその場に取り残される。

(3) 素電子の自転軸が更に180度回転してaの磁場が反転する。電磁場aは陰電素を画面奥から手前に吸い込む。電磁場aに吸い込まれた陰電素は電気斥力で反対方向に分かれて電流b,cになる。電流cは電場dを生成する。

(4) 電磁場aは電流b,cにエネルギーを奪われ電磁気力が減衰して崩壊する。b,cは磁気力で閉じて環電流になる。dは電磁場になる。

(5) dの磁場が反転する。電磁場dは環電流cを減衰させつつ電流eを生成する。電流eは電場fを生成する。

(6) b,cは流れが止まり磁気張力で収縮する。電磁場dは電流c,eにエネルギーを奪われ電磁気力が減衰して崩壊する。eは環電流にfは電磁場になる。

(7) b,cは電気斥力で破裂崩壊する。fの磁場が反転する。電磁場fは環電流eを減衰させつつ電流gを生成する。電流gは電場hを生成する。

光は、電場と磁場ではなく、環電流と電磁場が互いに相手を生み出しながら進む波である。
光子という「粒子」の衝突により電子が叩き出されるという光電効果のイメージは間違っている。光電効果は、光の構成要素の電磁場が電子を吸い込んで弾き飛ばす現象である。

この回答へのお礼

abikon990-08321-3-29 さん、
再びの回答ありがとうございました。
お礼を書き込んだはずなのですが登録されなかったようです。
(1)から順を追って理解に努めます。

お礼日時：2023/10/15 12:12

No.7 回答者： abikon990-08321-3-29 回答日時： 2023/10/06 09:03

光とは添付図の様なものです。

波長が短くないと光電効果といった粒子性は現れません。

『素粒子と宇宙の疑問 知りたい肝心のところをとことん具体的に解説 ーこの世界は何からできているのか 宇宙はどのように始まり終わるのかー』 https://www.amazon.co.jp/dp/B08DNG1HS1

この回答へのお礼

abikon990-08321-3-29 さん、
回答のお礼が遅くなりました。

> 波長が短くないと光電効果といった粒子性は現れません。
そうなんですね。
ところで「光の発生と伝搬の機構モデル」として
ご紹介いただいたイラスト、初めて見ました。 う～ん・・・
これは「素粒子と宇宙の疑問」という本で、
勉強できるのでしょうか？

お礼日時：2023/10/09 18:09

No.6 回答者： 月9 回答日時： 2023/10/03 22:56

No5　月９です

私も新社会人教育で、CDでの分光や、色と光の違いについて、講習会でとりあげたりしました

色と光の関係を理解するためには、目の三原色認識と、物質の光吸収を理解するあたりが、教師の腕のみせどころになりますよね

ノーベル賞発表時期ですが、物理学賞は、レーザでしたし「科学の重要性」と受賞スピーチもありました。
科学の啓蒙に志をお持ちの方々の活躍が、とても大事であると、再認識するばかりです。

どうか、ご健闘を！願います

この回答へのお礼

月９ さん、再びのコメントありがとうございます。
子どもたちの好奇心や探求心を刺激してあげたいと、
ふしぎと出会えるような内容をあれこれ考えるのですが、
これまで思ってもいなかった疑問が湧いてくるものです。
光のスペクトルが波長を横軸に直線的に並ぶのに、
色相環はなぜ輪になるのかも湧いてきた疑問で、
以前 教えて！gooで質問させていただきました。

お礼日時：2023/10/03 23:06

No.5 回答者： 月9 回答日時： 2023/10/02 22:54

光という単語が電磁波全体とは違うという文脈で利用される例を、補充してみたいと思います

研究経験から、今考えた分類なので、抜けや、おまぬけな言葉があるかもしれませんが、ご参考までに書いてみます

①情緒的な使い方
見える波長（可視光）だけを、「光」と呼ぶ立場で、初等教育や情緒的な表現をする場合に使います。カメラの基礎的な部分でもその立場をとることがあります。

②計測手段からの分類感覚
測定センサが放射線計測に類する波長（硬X線～ガンマ線）と、直接電場測定や熱量が中心の波長（遠赤外線やTHz電磁波～電波）を光の仲間に入れない立場
軟X線から紫外線・可視光・近赤外線が固体内光電効果など同系統の計測手法が用いられるなどから、主に計測屋が、この範囲を「光」と呼ぶ感覚があります。もちろん決まり事ではありません

③波動と呼ぶのが適切でない領域を考える場合
光子が発生した場所から、非常に近傍（ニアフィールド、波長程度以下の距離の場所）で、光子の関わる現象を考える場合には、まだ進行波としての性質が発現していないので「波」と呼ばないという考え方があります
近接場光、ドレスト光子などとも呼びます。アンテナのすぐそばの電場や磁場、高周波回路の配線のごく近傍なども同様です

④DC（直流）電場を考える場合
光子エネルギーは　E=ｈνで表されますが、周波数ν＝０の場合、たとえばアンテナにDC電池をつなげた場合、エネルギーはこの式では０になります
ところが星など、地球に対して相対速度を持つ場所から観察すれば、DCのスカラーポテンシャルはベクトルポテンシャル性を持ち、電磁場として観察されます
まさしく相対性により、直流電場と光は区別できなくなります
これを仮想光子と呼ぶか？光と呼ぶか？電磁場と呼ぶか？はたぶん考える学問的立場によると思います

この回答へのお礼

月9 さん、貴重なご経験から
「光」という言葉の捉え方について4つのパターンに分けて
解説してくださりありがとうございます。
整理していただいた内容を精読し、勉強したいと思います。

「光と色のふしぎ」なんて題目の科学教室で、
光の合成や分解（CDを使った分光）、
色の合成（折り染め）や分解（ペーパークロマトグラフ）、
といった実験や科学工作を、
小学生にやってもらったりしていたのですが、
「光と色を対等に扱うことに意味があるのか？」
なんてことを疑問に思い始めたり、
「電磁波と光って正しく理解できていたっけ？」
なんてことを悩みだしたりしての今回の質問でした。
ありがとうございました。

お礼日時：2023/10/03 18:45

No.4 回答者： finalbento 回答日時： 2023/10/01 19:27

本題の方は概ね回答が来ているようですが、電磁場だけでなく物質を構成している陽子や電子等も波動性と粒子性の二面性があるとされています。

例えば電子顕微鏡は電子の波動性を利用した装置です。

この回答へのお礼

finalbento さん、コメントありがとうございます。
電子顕微鏡にはお世話になりましたが、
電子の波動性を利用した装置でしたか・・・

波動と思われるものに粒子性があり、一方で、
粒子と思われるものに波動性がある・・・う～む。

ふと、朝永振一郎の「光子の裁判」を思い出しました。

お礼日時：2023/10/01 22:29

No.3 回答者： stomachman 回答日時： 2023/10/01 17:07

Photon countingは光子1個1個をカウントします。

ただカウントするだけじゃなく、その光子のエネルギーを測定します。
　X線CTではX線管から出て人体を透過してきたX線を検出器で測定するんですが、どこを透過して来たかによって、光子の数は100万倍以上も異なります。
　例えばX線管から直に検出器に到達する（人体に引っかからない経路を通った）場合の光子の数は猛烈に多いので、個々の光子を数えることは到底不可能で、これは量として測るしかない。すなわち、合計のエネルギーがいくらか、ということを測定します。
　一方、透過する光子数がうんと少なくなるのは、腰骨のあたりをヨコ方向に透過した場合です。すると、光子が検出器に到着する頻度が小さいので、光子1個1個をカウントするヒマがある。このとき、まっすぐ透過してきた光子（これを測りたい）の他に、どこか別の箇所で光子が散乱されて生じた散乱線が紛れ込んでくるのが邪魔なんです。散乱線は、光子数がうんと多い時にはほとんど問題にならないけれども、わずかしか光子が透過してこないところに余計な散乱線光子が紛れ込むと、大きな誤差になる。ところが幸いなことに、散乱線光子は本来のまっすぐ透過してきた光子に比べてエネルギーが小さい、という特徴があります。なので、光子1個1個のエネルギーを測定すれば、それが測りたいやつなのか、邪魔者の散乱線なのかを区別してカウントできる。そういうわけで、photon countingという技術を使うんですよ。
　なお、photon countingは、ガンマ線カウンター、ガンマカメラ、SPECT, PETなどの「核医学」の計測装置では古くから行われています。しかしX線CTでは撮影時間が短い（だから、短時間にすごく多数の光子がくる）ということと、検出器の数が猛烈に多いのでコストがかかる、という理由があって、実用化研究はずっと遅れて着手されたんです。

この回答へのお礼

stomachman さん、詳しいお話ありがとうございました。
今回回答をお寄せくださったみなさんは、
この道のプロのようですね。 理解が進みました。

photon countingが新しい技術ではないんですね。
X線CT検査はヘリカルスキャンであっという間に終わるのに、
ガンマカメラで骨シンチ検査を受けた時には、
MRI並みの検査時間がかかって驚いた経験があります。

お礼日時：2023/10/01 18:38

No.1 回答者： mabuterol 回答日時： 2023/09/30 18:59

> 光は電磁波であるとして、まさか電磁波はすべて光とは言わないですよね。

言います。一般的に光と言われる可視光も、紫外線も赤外線も電磁波も、全て光子の伝搬現象です。


> 光の特徴である波動性と粒子性は、電磁波すべてに当てはまるのでしょうか？

当てはまります。光子の伝搬現象ですから。


> 「あらゆる波長の電磁波に粒子性もある」と理解してよいのでしょうか。

そうです。

ただし CT レベルでは、光子１個分の検出なんて無理ですよ。キャノンの WEB サイトには、例として光子と書いていますが、実際には光子の集団と考えた方が良いです。


> そうした疑問を持たずに人生を過ごしてきてしまったので、今さら質問するのはお恥ずかしいのですが

いえ全く恥ずかしくありません。何歳になっても、知的好奇心を忘れず、分からない事を知りたいというお気持ちがある。これは素晴らしい事です。

この回答へのお礼

mabuterol さん、
早速のストレートな回答、ありがとうございます。

小学生を対象に科学教室などを開いたりしているのですが、
最近素朴な疑問がどんどん湧いてきて、
学生時代･社会人と、どんな理解のまま過ごしてきたのか、
不安と不思議な気持ちになっています。

お礼日時：2023/10/01 10:12