電磁波と光子とは？
- 電磁波とは、電場と磁場が相互作用して発生する波動であり、光の一種です。
- 光子は電磁波を伝える量子力学的な粒子であり、電場や磁場との直接的な相互作用はほとんどありません。
- 電磁波と光子は、電場の波動方程式やヘルムホルツの方程式を通じて関連付けられています。
- ベストアンサー
電磁波と光子
電磁波と光子 古典的な電磁気学を勉強してます。 基礎的な質問だと思うのですが、 マックスウェル方程式によれば、 rotE＝-∂B/∂t divD＝ρ rotH＝J+∂D/∂t であるから 電界の波動方程式が求まって そこからヘルムホルツの方程式が導けて 電場と磁場の関係から x軸方向に電場が正弦波状に変化するとき y軸方向に磁場も正弦波状の変化をするっていう あのよく見かける電場と磁場が一緒に描かれてる図まではなんとなく理解して 電磁誘導→電場ができる 変位電流→磁場ができる 要するに「電場と磁場の相互作用が電磁波」みたいなまとめでわかった気になってたんですけど、 光は「光子」というボース粒子によって電磁力を伝えたりして、光子は質量ゼロ、電荷ゼロであって…… みたいな量子力学の解説書に、光子は電場や磁場との直接的な相互作用はほとんどないって書いてあって、 たしかに電荷ゼロなら影響ないだろうなって思うんですけど 光 ＝空間の電場と磁場の変化によって形成される波（波動）である。 ＝微視的には、電磁波は光子と呼ばれる量子力学的な粒子 (wiki) みたいに書いてあって、 電場(静電場?)って重ね合わせの原理が成り立つから 電磁波が電場と磁場の相互作用なら、真空中とかで電磁波に電場とか加えるとなんとなく振幅が変わるような影響を簡単に受けそうな感じがするので、光子に電場や磁場との相互作用がほとんどないって記述がどうも引っかかって…… でも電磁波と電場および電場のかかっている物質との間に作用するいわゆる電気光学効果(ポッケレス効果とか)は非線形光学結晶などが必要と聞きかじり、電磁波の波長を変換したりするのって大変なんだなーって思うところまで勉強しました。 粒子性と波動性があるといろいろ複雑なのでしょうか…… 粒子性で考えると影響なくて 波動性で考えると電気光学的な影響がある…みたいな そもそも電磁波の波長とかってnmレベルですし、ただの波じゃなくて複素数の波動関数ですもんね。 あ、完全に影響なかったらそもそも非線形光学効果なんてないのだから、「ほとんど」影響ないってのはそういうことか… 量子論を修めろってことですね…… 己が浅学さを反省して、そろそろ19世紀の考え方から20世紀の考え方に移行しようと思います。
- phy_bio_inf322
- お礼率80% (4/5)
- 物理学
- 回答数3
- ありがとう数4
- みんなの回答 （3）
- 専門家の回答
質問者が選んだベストアンサー
そもそも電場も磁場も静電磁場ですから、言ってしまえば、その実体は光で出来ています。普通に言う電磁波は、動電磁場の事です。よって光（光子）が電場磁場の影響を受けないとは、光と光は相互作用しないと言ってるのと同等です。これは古典論（19世紀）の時代からそうです。 ただ電磁場はもちろん、電場磁場の影響を受けます。この意味を具体的に考えてみると、電場や磁場の発生源は電荷や（電）磁石ですから、電磁場の発生源の状態が変われば、電磁場の状態も変わるよね？、って意味にとれます。 光が電場磁場の影響を受けないとは、電荷と磁石の組AとBがあったとき、Aから発生した電磁場ΦaとBから発生した電磁場Φbが両方とも到達した地点の電磁場Φは、ΦaとΦbのたんなる足し算、Φ＝Φa＋Φbになりますよ、という意味のはずです。つまりΦaとΦbの相互作用項があって、Φ＝Φa＋Φb＋Φa×Φbみたいな結果にはならないよと。これは量子論に移っても同じです。 ※非線形光学効果については知らないので、触れません(^^;)。 ＞そもそも電磁波の波長とかってnmレベルですし、ただの波じゃなくて複素数の波動関数ですもんね。 それは物理的に観測できない量子的な波動関数が複素関数でなければならないという事であって、物理的実体である電場と磁場は少なくとも古典論では必ず実の波動関数です。電場と磁場を複素関数で表すのは数学的便理手段ですから、結果を出すときには、虚数部を消去する境界条件なり制約なりを必ず付けるはずです。 最後に。マックスウェルの電磁場方程式に「場の量子化（第2量子化）」という面倒な手続きを施すとマックスウェル方程式が、光子のシュレーディンガー方程式に化けるそうです。自分はもちろん出来ませんが(^^;)。 けっきょく光子は、古典的電磁場に対する量子的拡張という事になると思います。
その他の回答 (2)
- 雪中庵（@psytex）
- ベストアンサー率21% (1064/5003)
電磁波と光子の関係を理解するには、 エネルギーの最小単位である量子を 理解する必要があります。 波といっても無限分割はできず、最小単位 である量子として作用し、その量子＝光子 である、という（光量子）。
お礼
回答ありがとうございます。 波動は連続で粒子みたいに分割できないってイメージが強いですけど、エネルギーの最小単位が存在する以上光を構成する光子が存在するってのは納得です。 参考にします。 ありがとうございました。
- tetsumyi
- ベストアンサー率26% (1857/7093)
電磁波と光子 の違いは、電磁波が連続的なのに対し、光子はパルスの集まりであることです。 電磁波は連続的な測定で観測できますが、光には時間が無く原子に直接作用する現象としてしか観測できませんから光子として扱われます。 光が電磁的な波という表現そのものが間違いと言って良く、古典的な電磁波で説明することは無理です。 不連続な素粒子レベルの無極性パルスは相互作用できません。 もっとも私としては「電場と磁場の相互作用が電磁波」なんて嘘だと考えています。
お礼
参考になりました。ありがとうございます。
関連するQ&A
- 光子の確率波と電磁波の関係は？
光は光子の存在確率の波、電磁波は電場と磁場が相互作用しながら進む波というイメージなのですが、これら2つの波にどういう関係があって「光=電磁波」と考えられるのでしょうか。 また、ラジオなどの電磁波の振動数と、それに含まれる光子の存在確率の波の振動数は一致するのでしょうか。 お時間のある時にでも、ご解答いただけると助かります。
- ベストアンサー
- 物理学
- 物理：電磁波，磁場，電場，光子について
物理は勉強したこと無いです。ですから，マクスウェルの方程式みたいな数学的な説明は理解できません。語句的な知識は最低限あると思います。 質問です 電磁波は電磁場の波が伝播する現象ですよね!? では，電場（電気的な力が作用する空間）とは何ですか？？ 電気的な力とは電子や陽子などの電荷を持った粒子が関わったものなんでしょうか？？ 磁場（磁力の作用する空間）とは何ですか？？ 磁力は想像できないです。磁力とは何なのでしょうか？？ 最後に，光とは波ですよね!?それは理解できるのですが（何となく...）。光子というのは，光が粒子のように振る舞うので仮想的に粒子とみなしたものなのか，それとも，その波のエネルギーが具現化(？)して粒子になったものなのかどうか分かりません。 簡単に・具体的に教えてほしいです。お願いします。また，そういった本があれば教えて下さい。
- ベストアンサー
- 物理学
- 電子や光子の波動性と粒子性について
こんにちは、王次郎です ”光の物理”（小林浩一 著,東京大学出版会）p.35には、光の粒子性と波動性に関して以下の様に紹介されています。 『光の行動は、観測されるまでは空間に広がった波動、つまり電磁波の立場で考えなければならないし、観測されてはじめて、光は粒子、つまり光子としての顔を見せることになる。（中略）光が原子や電子あるいは一般には物質と出会い、エネルギーを交換するときには、光は粒子のように行動し、それ以外のときには波動のように振る舞うといってよいだろう。』 量子力学では、例えば電子の波動関数は、電場や磁場などの物理的な存在ではなく、状態（可能性）として空間に広がって存在しているとされていたと思います。光の波動性が、電磁場としての物理的な存在であるのに対して、電子などの粒子の波動性は波動関数で計算される状態の波であるとすると、電子や粒子の波動性と光の波動性は別物なのでしょうか？ それから、光もシュレーディンガー方程式で波動関数が計算できるのでしょうか？
- ベストアンサー
- 物理学
- 電磁場と光の関係
マクスウェル方程式によれば真空中で振動する電荷は磁場を変化させ、磁場の変化は電場を変化させ磁場電場が連続的に生成し、その波いわゆる電磁波が光の正体だなどという記述をいろいろな書籍で見かけます。 1.ここで磁場と電場がそれぞれ波をつくっていることは理解できるのですが（以下の内容を疑問に思っているということは理解できていないのかも知れません）、それを合わせて電磁波などという一つの波として伝播速度が光を同じだから、光は粒子ではなく波であるとするということが分かりません（あわせて一つの波にしているのではないとは感じますが）。つまり電磁波は２種類の異なった波が伝わっているということなのに物理書などではそれが一つの波であるかのように扱っているように見えるのです。 「電場の波と磁場の波とどちらが光か？」と問うことはできないのでしょうか（もちろんできないのだろう なとは思うのですが、この二つを合わせたものを電磁波、光というということの意味がわからないのです）。 電場の波の変位は電場の強さと方向を、磁場の波の変位は磁場の強さと方向を表すものであって、普通に光を考えるときによく見るような横波で変位が光の強さを表す波とは異なるものであると思うのですが、前者（電場変化と磁場変化の伝わり）から後者（光そのもの?を考えるときに使う波動）はどのようにしてでてくるのでしょうか。 2.また光を波として考えるとき通常の波のように山と谷がありますがあれは、実際に、何かが人間の感覚のレベルでは感じられない振動しているのか、それとも回折や干渉を説明するため、また光を量子力学で波長ｈ、振動数ｖを導入して扱うためのものであって何かが振動（山谷を繰り返している）わけではないのでしょうか。 両方の質問とも、光は電場と磁場の伝わり合いであり、光がまた一つの波をつくっているのだと思いますが、電場変化、磁場変化を表す波（電磁波の伝播を表す波）と光の強度を振幅の変位にとった波とはいかなる関係にあるのかということなのです。 電磁気の本には光は電磁波の伝わりとして書かれて終わっていて、光を波動として回折、干渉などを考える本ではいきなり光は波動であるとして波長や振動数を導入しており両者の関係がよく見えてこないのです。この方面にお詳しい方もしお時間ございましたら、見当違いの質問かも知れないのですが、教えてください、よろしくお願いします。
- ベストアンサー
- 物理学
- 電磁波に関して（基本的なこと？）質問します
電磁波に関して（基本的なこと？）質問します 最近、量子力学の本（一般者向け）を読んでます。 いろんな本に光についての説明があって、それは波動性をもった電磁波の一種で、電磁波の説明がありますが、どの本も同じ内容で 「電場の変化→磁場の発生 磁場の変化→電場の発生」・・・こんな説明です。 これは電磁誘導（電線の上に方位磁石を近づけるとか）で昔学校でならったのは覚えています。 ただ、何故電場が変化すれば磁場が発生するのか、何故磁場の変化が電場を発生させるのか・・・・そのメカニズムについては、説明してる本に出くわしません。 そしてよく光の説明でイラストに登場する波の山谷は何を示しているのか、 電場磁場の発生メカニズムと関わりがあると思いますが。。。 電場・磁場・・・・互いの発生因果関係（メカニズム）、イラストの矢印の大きさの意味を教えてください。 または、それが解説されている本などの紹介でも構いません。
- 締切済み
- 物理学
- クーロン力は光子で媒介されない？
一般に電磁相互作用は光子で媒介されるとされています。しかしクーロンゲージで量子化するとクーロン力は光子と無関係であるように見えます。ミクロなレベルでもクーロン力は光子で媒介されるのではないと考えるべきなのでしょうか。
- 締切済み
- 物理学
- 光の波動 横波？電磁波は？
光は波動は横波だと聞きました。しかし、電磁波は電場と磁場が垂直に交互に変化する波動だとも聞きました。光も電磁波の一種ですが何故この様な考えになるのでしょうか？
- ベストアンサー
- 物理学
- 電子が等速円運動すると電磁波が生じる？
電子が等速円運動すると電磁波が生じる？ 高校物理の「電子の粒子性・波動性」の分野を習いました。 電子が原子核の周りを普通に円運動するというモデルだと、 電子のエネルギーが電磁波として出て行ってしまうので、電子が原子核に落下することになるけど、 電子の運動が、波長の整数倍が軌道1周の長さである波動だと、上手く説明できる、とか。 (1)電子が円運動すると電磁波が生じるのは、 荷電粒子が加速運動すると磁場が変化し、それによって電場が生じ、それによって……… って感じになるからだと説明されましたが、 ふと、「電場と磁場」的な分野のところで習ったことを思い出し、疑問を抱きました。 円形電流によって生じる磁場って、確か一定でしたよね。（H=I/2r だったと思う） 原子核の周りを電子が円形に回るのなら、これと同じ状況だから、磁場は変化せず、電磁波は生じないと思うのですが……… (2)また、円形軌道モデルでは発生するはずの電磁波が、 波長の整数倍が軌道1周の長さの波動だと、何故発生しないのですか？ 波動を描こうと回ってるわけですから、円形軌道モデルと変わらない気がします。
- ベストアンサー
- 物理学
お礼
丁寧にお答えいただきありがとうございます！ 光学は物理学の中でもトップクラスに重要な分野ですから奥が深いですね。 ニュートンの「光学」も有名ですし、アインシュタインのノーベル賞受賞もそういえば光量子仮説の功績でしたね。 幾何光学、波動光学、量子光学といろいろな光の捉え方があってとても面白いです。 最先端の技術では、すでに光子を一粒一粒射出できるほどコントロール可能と知り、現代物理って本当にすごいなって改めて思いました。 光子のシュレディンガー方程式ですか(´ω`) マクスウェル方程式から導くのは想像できません。 エーレンフェストの定理みたいに シュレディンガー方程式→古典力学における運動方程式 ならまだわかりますけど、その逆は大変そう( ；∀；) 参考にします。 ありがとうございました。