電磁波の周波数と透過性

Question

(1)「電磁波エネルギーは周波数に比例し、周波数が高いほど透過性が高くなる」
とも聞きますし、
(2)「波長の長い(周波数の低い)電波は多少の障害物があっても進行する」
(3)「低い周波数は身体内部に浸透し、高い周波数は体の表面で吸収される」
とも聞きます。
(1)と(2)(3)は正反対のように見えますが、どう理解すればよいのでしょうか。
物理学は素人なのでよろしくお願いします。

yhr2 · Accepted Answer

No.4です。「お礼」に書かれたことについて。

＞電磁波の影響がそれを受ける側の構造と関係する場合があるということは、「周波数の低い方が深くまで入る」というのは一律には言えないということになるわけですか。

　そういうことだと思います。波長と物質との相互関係の起こしやすさというファクターによるものだと思います。

　例えば、電子レンジ、電磁調理器などを考えてみてください。電子レンジで加熱できるもの、できないもの、加熱しにくいものなどの違いを考えてみてはいかがでしょうか。電子レンジは、まさしく「水分子」に働きます。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%82%B8

　また、「晴れている空は青く見える」とか「海は青く見える、地球は青い星」とか、夕焼けや夕日は「赤く見える」とか「虹は七色」というのは、それぞれの光の波長と「空気中の塵」「空気中の水蒸気」や「海水中の散乱物質」といったものとの相互作用で起こります。どのような現象かによって、関連する波長が異なるということです。こんなものも、調べてみてはいかがでしょうか。

yhr2 · Answer

No.2です。いろいろと補足が付いているようなので、追加します。

　電磁波は光速度で進む「波」ということで、その波長に応じて、その波長に相当する相手の物質と相互作用します。相互作用は、ぶつかってエネルギーをやりとりしたり、共振・共鳴するようなイメージです。
　物質のサイズに比べ、波長が非常に短い場合には、物質は「スカスカ」の穴だらけに見えますので、一部は相互作用せずに透過します。一部は物質と衝突したり、散乱されたりします。Ｘ線やガンマ線がこのサイズの波長で、相互作用する物質は「原子核」や「電子」のサイズです。

　可視光線や、赤外線、紫外線の領域だと、相互作用する物質が「分子」や「化合物」のサイズになります。可視光線は、おそらく目の網膜の神経細胞を共鳴させてエネルギーを渡し脳に信号を送ります。
　紫外線や赤外線は、皮膚の近くのタンパク質や、細胞を構成する水分子などと相互作用します。
　No.3の補足に書かれた「周波数の低い方が深くまで入るということは、周波数が高いと表面付近で多く吸収されるということですか? なぜ周波数が高いと表面付近で多く吸収されるのでしょうか?」については、電磁波自体が「深くまで入る」のではなく、皮膚の表面で吸収されたエネルギーが深くまで進むというように考えた方がよいと思います。
　正確ではないかもしれませんが、例えば赤外線が「水」分子と共鳴すると、人体の2/3は水なので皮膚の奥まで水分子が存在し、その共鳴が深くまで伝達される、逆に、紫外線の場合には皮膚のタンパク質だけが共鳴して深くまでは伝わらない、というような感じ。（あくまでイメージと考えてください）

　上に書いたのとは逆に、電磁波の波長が物質よりも十分大きいと、No.1の補足に書かれた「回折」作用で、空中であれば物体の陰にまで回り込む現象が起こります。ご質問の中の（２）はこの「回折」現象のことでしょう。
　ラジオの電波や、ＦＭ放送、地上波テレビ（UHF）の電波の波長は、数ｍ～数百ｍですから（テレビや放送局のアンテナを思い浮かべてください）、人間や木やちょっとした建物程度であれば回り込むことができます。


　以上を簡単にまとめると、
（１）波長が物質より十分小さければ透過
（２）波長がほぼ同等の物質と相互作用
（３）波長が物質よりも十分大きければ回折
というような感じでしょうか。

unos1201 · Answer

一応、物理の専門の勉強もしましたが、趣味で無線を長くしているので、この手の質問、よく聞かれます。

透過性、特に１の内容ですが、電磁波は電波のような低いものから、エックス線などの光に近いもの、紫外線や赤外線、そして、いわゆる光も宇宙線のような高エネルギーのタイプまであります。

順番をわざとランダムにしたのですが、むしろ、電磁波の項目を参照するといかに広い範囲のものを含むかわかります。

＞電磁波は波長によって様々な分類がされており、波長の長い方から電波・光・X線・ガンマ線などと呼ばれる。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2

全体から見ると、振動ですので、単純に周波数が高くなると同じ振幅ならばエネルギーが高くなる、特に非常に短い波長になると、地球も簡単に通り抜けるタイプの宇宙線のタイプまであります。

宇宙線も放射線の一部、放射線は
＞高い運動エネルギーをもって流れる物質粒子（イオン、電子、中性子、陽子、中間子などの粒子放射線）と高エネルギーの電磁波（ガンマ線、X線のことで電磁放射線）の総称を言う
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E7%B7%9A

さらに、定義だけ説明を見ると、
＞宇宙線（うちゅうせん、英: Cosmic ray[1]）は、宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線のことである[2]。主な成分は陽子であり、アルファ粒子、リチウム、ベリリウム、ホウ素、鉄などの原子核が含まれている[3]。地球にも常時飛来している。

こうなると、電磁波以外のものも含まれるのですが、一応、そのうちのガンマ線とすると、そこまでを扱うことでも透過性のことが一応納得ができそうです。まさに物質を通り抜ける、波長が短いからできるものです。

ここまで書かないと大学レベルでないですし、説明として不足だと思います。

２は電波でも短波や長波などのこと、回り込むので、障害物があり可視では見えない後ろでも受信できる、そういう性質、波の性質を示しています。それ以上の周波数ですと直進性が強く、何かに反射したり、回折を繰り返さないと方向を変えにくい、電離層を突き抜けそのまま宇宙に飛んで行ってしまいます。

３は赤外線や紫外線の説明でよく使われるものです。
＞遠赤外線は身体の内部から温めると言われるが、これは誤りであり、数ミリ程度しか浸透しない。物質の内部から温める効果としては、遠赤外線よりも波長が長い電磁波であるマイクロ波のほうが、より顕著である。その一方でマイクロ波は対象となる物質によっては、透過したり反射されたりするため、加熱が困難、不可能な場合もある。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B5%A4%E5%A4%96%E7%B7%9A

＞UVAはUVBと比べて、大気中での減衰が少なく、UVBの減少する冬期や朝夕でも比較的多く降り注いでいる。日焼けのうちサンバーンを引き起こすことはないがサンタンを引き起こす。日焼けサロンで照射されるのは、主にUVAである。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%AB%E5%A4%96%E7%B7%9A

ようするに、体が関係すると、皮膚の奥まで潜り込みそうなものは若干波長の長いタイプ、破壊性が高いのはそれよりも短いタイプで生物のDNAは吸収スペクトルが 250nm 近辺に存在しているので紫外線でもそれに近いものは一番危険、そういうことを説明しているものです。

また、電子レンジでも水の吸収されやすい波長の電磁波が温める効果を出しますので、それに近い周波数の電波は比較的人体に影響を出しやすい、直進性も強いので、集中させて浴びると危険、こういう内容も局所だけ取り出すと、このような質問になることがあります。

ということで、一般論と特殊論みたいなもので、特定の場所に対する影響を書いてあるのか、波の性質そのものか、電磁波固有のものか、似たものなどを含め書いてあるのかにより混乱を生じます。

難しそうですが、ここまで理解して書物に書いていないし、素粒子や原子や分子レベルでの議論になるともう少し難しい、光と波の関係、地場と電界の影響、相互作用などにも関係することまで説明しますのでちゃん理解するにはいろいろな勉強しないと理解しにくいものです。

yhr2 · Answer

なんでもごちゃ混ぜに「電磁波」「波」として考えるのではなく、その「波長」「周波数」がどの程度のものであるのかをきちんと区別して議論すればよいのです。

　「波長の長い(周波数の低い)電波」は、何に対して「長い」のか、「低い周波数」とは何に対して「低い」のか、ということです。
　↓電磁波全体のイメージは、このサイトの図などを見てください。
https://www.ushio.co.jp/jp/technology/glossary/material/attached_material_01.html
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2


　たとえば、NHK第1放送ラジオの電波は594kHzですから、波長は約500ｍです。

　可視光線（目に見える光）の波長は、約500nm（＝5×10^(-7)ｍ）です。

　レントゲン撮影をするX線の波長は、約1nm（＝1×10^(-9)ｍ）程度です。

　これだけ違うものを、同じように一言で言い表わすことはできません。上に書かれた（１）（２）（３）は、大体下記のようなことを言っているのではないでしょうか。各々「何と比較して」ということかをよく考えましょう。

・X線は、周波数が非常に高い（波長0.01nｍ～10nm、周波数3×10^16～4×10^19Hz）ので、大きなエネルギーを持ち、物質を通過しやすい。→（１）

・赤外線（波長800nm～1mm、周波数3×10^11～4×10^14Hz）は身体内部にまで届いて「暖かい」と感じる。→（３）
・可視光線（波長400nm～800nm、周波数4×10^14～8×10^14Hz）は、目の網膜で神経細胞に反応して脳に信号を伝え、人間が「ものが見える」ように知覚する。→（３）
・紫外線（波長10nm～380nm、周波数8×10^14～3×10^16Hz）は皮膚の表面で吸収されて「日焼け」や皮膚がんの原因になる。→（３）
・可視光線は、障害物があれば通過できず、障害物の向こう側はさえぎられて見えない。→（２）のような「回り込み」はしない。

・NHK第1放送ラジオの電波（波長500ｍ、周波数6×10^5Hz）は、放送局のアンテナが直接見えなくとも受信できる。→（２）
　ただし、FM放送の電波は周波数80MHz程度で、波長が3m程度になるので、障害物があると電波を受信しにくくなる。（電波の届く範囲が狭くなる）→（２）

Tacosan · Answer

少なくとも (1) と (2) については「全く違う現象を言っている」ので, 「正反対」もなにもありません.

例えば, 目の前にある高さ 1 m くらいの壁の向こうにボールを送ることを考えてみようか. 十分にボールにエネルギーを与えることができれば「壁を突き破ってボールを打ち込む」こともできるはず (「ボールが壊れる」とかいうのは今は無視だ). これが (1) に対応するんだけど, よく考えてみればそんなにエネルギーを突っ込まなくても「壁の向こうにボールを送る」ことはできるよね?

電磁波の周波数と透過性

No.4です。

No.2です。

一応、物理の専門の勉強もしましたが、趣味で無線を長くしているので、この手の質問、よく聞かれます。

なんでもごちゃ混ぜに「電磁波」「波」として考えるのではなく、その「波長」「周波数」がどの程度のものであるのかをきちんと区別して議論すればよいのです。

少なくとも (1) と (2) については「全く違う現象を言っている」ので, 「正反対」もなにもありません.

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