光は本当に電磁波ですか？

質問

科学好きの甥っ子に質問されて分かりやすく説明してやろうと調べるうちに疑問に思いました。光は電磁波の一種であると子供向けの本にも書いてありますが、少し専門的な本を読んでも、ネット検索しても十分な証明がありません。私は文系なので理系の大学院で証明が出てくるような話ということになると分かりませんが、いろいろ読んでも光が電磁波だと分かったのは１９世紀の事で証明に量子力学も必要なさそうなんですが。

１）光が電磁波の一種と証明された最初の有名な
　実験とは何でしょうか？
２）電磁波というからには、ラジオやテレビの受信
　原理のように光から電界成分だけ取り出したり
　できるのでしょうか？

回答No.7

sanori

すみません。
マイナスの符号と「乗」を書き忘れました。

＜間違い＞
このとき、満充電状態を「１００％」と書けば、
結果だけ書きますと、

充電された電圧　＝　１００％（１ － 2.718の（経過時間÷(ＲＣ)　）

＜正しい＞
このとき、満充電状態を「１００％」と書けば、
結果だけ書きますと、

充電された電圧　＝　１００％×（１ － 2.718の（－経過時間÷(ＲＣ)｝乗）
　＝　１００％×｛１ － 2.718^(-t/RC) ｝
　＝　１００％×｛１ － 2.718^(t/RC)分の１ ｝

ｔが無限になれば、｛　｝の中身が１ちょうどになります。

ｔ＝０（充電開始）では、
１００％×｛１ － 2.718^(０)分の１ ｝
　＝　１００％×｛１ － １分の１ ｝
　＝　０％

回答No.6

N64

以前にも似たような質問がありました。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1428200

同じ疑問を持つ人はいるものですねー。
でも、疑問に思うだけでも偉いと思います。
私などは、光は電磁波である、といわれて、鵜呑みにしていましたから、偉いと思います。

参考URL：

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1428200

お礼

この参考ＵＲＬのご回答も変ですよ。
＞シンクトロン放射光
　と書いてありますが、ＳＯＲのことなら
マイクロ波の放射のことです。目に見える
可視光線がでるわけじゃないですよね。

＞電子を激しく上下すれば自由電子レーザーとなるなど、

　これは量子力学の話で、光が波と粒子の両方の
性質を持つという話につながることで、
電磁波が電界と磁界の波でできていると
いう話と関係ありません。
　レーザー光線がアンテナで受信するといった
電界成分だけ分離できるという現象があれば別
ですが。

＞電波の性質が光と同じである（速度、反射、屈折、偏光）

　この性質って電子線でも観測されますよね。
でも電子ビームは電波じゃない。電子という
電荷も質量もある物質です。

回答No.5

sanori

（１）
「最初に証明された」というよりも、まず、「最初に気づいた」ということの方が、歴史的に、はるかに重要です。

まず、
古典電磁気学は、全て「マクスウェルの４つの方程式」で記述され、これ以上でもこれ以下でもありません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%A6%E3%82%A7%E3%83%AB%E6%96%B9%E7%A8%8B%E5%BC%8F

そして、
この方程式により、
電場の変化が磁場を生み、磁場の変化が電場を生み、という、２人１組のダンス、すなわち、電磁波が予言されました。
そして、試しに、その電磁波の進行速度を計算してみました。
それは、電磁波を伝える媒質の誘電率と透磁率という２つの定数だけで決定されます。

そして、
「真空の誘電率」と「真空の透磁率」というものは、現実にあります。

この２つの数値（過去の電磁気学の実験データから得られた数字）を使って、ためしに計算したところ、
驚いたことに、たまたま、
「地球を１秒に７周半ぐらいするスピード」
という、
まさに、「どこかで見たような数字」の計算結果が出たのです。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k4housoku/maxeq.htm
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2

この「事件」で、マクスウェルの、物理学史上の地位は不動のもの、確固たるものになりました。

あとは、
色々な実験で、光と電磁波とは同じ性質を示すという事実を、地道に積み重ねていっただけです。

（２）
中学校あたりの理科で「音さ」の実験やりませんでしたか？
２つの音叉を離して配置しているのにも関わらず、一方を鳴らすと、もう一方も鳴り始めますよね？

そうです。

共鳴です！

叩いた音叉から出た音の周波数と同じ値の固有周波数を持つ物体があれば、その物体は振動を始めます。

味噌汁を手で運ぶとき、手が震えると、味噌汁はこぼれますが、手のぷるぷると、おわんの（中の味噌汁の）固有振動数とが一致すれば、味噌汁の振れはどんどん増殖し、こぼれるという悲しい結果になります。

ところが、
手のぷるぷろの周期を中途半端（たとえば、１．５倍とか）にすると、不思議と味噌汁はこぼれません。
（やってみてください。間単に実験できますから）

電気回路でも、固有振動数・周波数を持つような回路を作ることが可能です。

（逆に振動を発生させるほうが、発信器です。）

そのような回路というのは、Ｒ（抵抗）、Ｃ（容量）、Ｌ（インダクタンス）で特性を決めます。

このうち２者だけでも実現は可能です。たとえば、Ｌは使わずにＲとＣだけでも出来ます。
この場合、実は「ＲにＣを掛け算したもの」というのが、固有の周期と直結した数字になります。
これを「時定数」と呼びます。

あとは、ネットで、その辺のキーワードで検索すれば、いくらでも解説は出てきますので、私からの説明は以上で終わりにしますが、
「時定数」＝ＲＣ
という数字の考え方の不思議さを、ちょっと紹介します。

抵抗Ｒの単位はΩ（オーム）
Ω＝ボルト／アンペア
（１ボルトかけたときに１アンペア流れる状態を、かこの学者が「１Ωの抵抗です」という約束事として決めた）

一方、
容量Ｃの単位は、Ｆ（ファラッド）
Ｆ＝クーロン／ボルト
（１ボルトかけたときに１クーロンたまる状態を、かこの学者が「１Ｆの容量です」という約束事として決めた）

クーロンは、電荷の大きさです。
それは、つまり、電子の個数に電子の電荷を掛け算したものです。
つまり、
１秒当たりにたまったり流れたりする電荷とは、１秒当たりに移動する電子の数（に電子の電荷を掛け算したもの）、
それはすなわち
アンペアです。

ということは、
Ω　＝　ボルト÷アンペア
　＝　ボルト÷（クーロン÷秒）
　＝　ボルト×秒／クーロン

ということは、
Ω×Ｆ　＝　ボルト×秒／クーロン　×　クーロン／ボルト
　＝　秒

ということで、
驚いたことに、ＲとＣを掛ければ時間になります。

単純な例を紹介しましょう。

電池とＲとＣを直列つなぎします。
すなわち、

電池の＋　→　Ｒ　→　Ｃ　→　電池の－

とつなぎます。
このとき、
「Ｃに充電するのにかかる時間は何秒か？」

単純考えでは、
電流は、Ｖ／Ｒ　だから、Ｃに電圧Ｖを充電するには、
Ｖ・Ｃ　÷　Ｖ／Ｒ　＝　ＲＣ
です。

もうちょっと踏み込んで考えますと、
充電が進むごとに、Ｃの両端にかかる電圧は減少していくので、充電スピードが落ちていきます。

このとき、満充電状態を「１００％」と書けば、
結果だけ書きますと、

充電された電圧　＝　１００％（１ － 2.718の（経過時間÷(ＲＣ)　）

になります。
ここに登場する「２．７１８」という数字は、高校の２～３年の数学で習う、

自然対数の底　＝　ｅ　＝　2.718281828・・・・・

のことです。

円周率π（3.14159265・・・・・）が、生活に役立つことは誰もが直感的にわかることだと思いますが、
このように、ｅも、ちゃんと役に立ちます。
（銀行の金利の計算にも使いますし、洗濯物の乾き方の計算にも使えます。）

回答No.4

atomicmolecule

私も詳しい事はしりませんが、知っていることだけ書きます。

先ず光が電磁波であることの証明の前に、電磁波というものが存在してそれが光速で飛ぶということがヘルツによって実験で示されたようです。もともと電場と磁場が静的に存在するのは当然としても、当時電場とか磁場が空間を振動しながら伝わってゆくということは驚きでした。そしてマックスウェル理論の予言するように、それは光速で飛ぶのでした。

電磁波は光速で伝わることが確立したと同時にほぼ光も電磁波であるということは自然に受け入れられたのではないかと予想します。偶然で二つのものが同じ速さで伝わるなんていうのは考えづらいですから。

その後どうやって光＝電磁波が実験で確立したかは知りません。現代のテクノロジーでは、偏向板が光が電磁波であるという証拠をしめしてくれるのではないかと思います。偏向板を使えば特定の方向の電場成分だけを取り出すことが出来ます。これは光が電場的振動を持っていることの証明と思っても良いのではないでしょうか？　もっと直接的には電子を巨大加速器実験で加速する際には加速された電子からあらゆる波長の電磁波が出てきます。可視光もこれに含まれます。つまり光も電子を加速すると出てくるわけです。

その他光はX線やその他の電磁波が持つ性質を備えています。波としての性質や偏向の自由度などなど。同じ性質をもったものを一つのものの異なる側面を見ていると思うのは自然なことでしょう。光の場合は、電磁波の波長が異なるものであると解釈するのが自然でしょう。
長くなりましたが、参考になれば幸いです。

回答No.3

babahiro

>可視光線をＸ線に変換する装置のなどありましたら...
X線は可視光線よりエネルギーレベルが高いので（Ｅ＝ｈ＊振動数）無理です。

回答No.2

noname#21327

専門家ではないので詳しくは分かりませんが、
1）記憶では、ヤングの光の干渉実験（スリットの実験）が最初です。２つのスリットを通り抜けた光が干渉するというもので、波動説の最初で定説でした。
一方、量子説は、アインシュタインの光電効果実験の説明が有名です。
光は波動と粒子の両方の性質をもつようです。
2）良く分かりませんが、途轍もなく難しい気がします。それより、光自体を信号として扱った方が楽です。

お礼

波動説、粒子説ですね。
＞アインシュタインの光電効果実験の説明が有名です。

光を当てると電子が出てくるやつですよね。
高校の物理範囲内なら大丈夫です。
でも電子をぶつけても電子が出てくる。
だから光は電子の一種であるという話になってしまいそうですが。

２０世紀の量子力学の概念の概念を持ってこないと光が電磁波だと証明できないよいった記述はどこにもないんです。

ファラデー効果が光が電磁波の可能性を示す１つの目安だという記述はネット上にあるんですが。

回答No.1

norokko

http://homepage3.nifty.com/gyakusou/sou1/hikari/hkrnz.html

このページが参考になります。

光は電磁波です。
そもそも、光というのは可視光の領域にある電磁波を指しているということです。周波数を変えれば赤外線・X線などになります。

光と電磁波の関係はマクスウェルの方程式が示しています。実験は知りません。

お礼

申し訳ないのですが、ご紹介頂いたページですがまじめな内容なんでしょうか？　光の電界と磁界のという言葉は出てくるようですが。

＞周波数を変えれば赤外線・X線などになります。

　実はネット上にはそう言った記載が沢山あるのですが、理論的な説明や実験での確認事例が一切ないんです。可視光線をＸ線に変換する装置のなどありましたらご紹介下さい。

＞光と電磁波の関係はマクスウェルの方程式が示しています。

　誘電率と透磁率から電磁波の速度が計算できるだけだと思うのですが、どの部分が光特有の性質を現しているのでしょうか？