光の波長と光子について

質問

はじめまして。数式は苦手ですが、光って何だろうと思いあちこちのサイトやここの質問を読みなんとかイメージが湧きました。このイメージって正しいのかお知恵を貸して下さい。

・光の波長について質問

http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=123638
No.5さんによると

> 人間の目に見える光（可視光）は
> 　7.6×10^-7(赤)　～　3.9×10^-7(紫)　[m]

例えば光子が左から右に向かって上下にふるふるしながら進む時

■　○　○　○　○
■○　○　○　○　○⇒光子の進行方向（速度＝光速？）
↑　　｜--｜
↑　　　↑
↑　　　☆この距離が波長?
タテにふるふるしている幅（振幅?）

質問1.一般的な認識は上の図ので正しい?

質問2.波長が短いという事は、より頑張って早くふるふるしているという意味で正しい?
※波長(赤)より遅いふるふる＝電波以下の別モノ
※波長(紫)より早いふるふる＝X線以上別モノ

質問3.早くふるふるするほどエネルギーが大きい?

質問4.ふるふるの向きは（図では便宜上、上下にふるふる）実際は前後左右上下ランダム?または進む方向に対して必ず直角とか?

・光子ついて質問

光子とは静止時の質量が0で、進み方・交わり方は波のように振舞うが、光子単体の動きや、何かにぶつかった時は粒子のような振舞いをする、ふるふるしたエネルギーと認識してます。
絵的にはバイブで着信中の携帯(光子)を真っ直ぐ投げたイメージです。

質問5.私の光子のイメージは正しい?

質問6.光子の形状は例えば球体というように、具体的に形状をイメージすることは可能?
（実際には誰も見たことがない。というより見る方法が無いですよね?）

質問6.このふるふるは、波長という単位以外に、秒間何回ふるふるするかという周波数でも表すことができる?

他にも何かイメージの沸く説明があれば、ぜひお願いします。変な日本語ですみません。^^;

回答No.7

shiara · ベストアンサー

光子についての質問者様のイメージが正しいか間違っているかは、誰もわかりません。そもそも、粒子でもあり波であるものなど、人間にはイメージできるはずもありません。せいぜい、粒子のイメージをベースに波としての振る舞いを持たせるか、波のイメージをベースに粒子としての振る舞いを持たせるか、ということくらいしか想像できませんが、どっちにしろ、正しい理解にはなりません。
　正しい理解は、唯一、数式を用いて得られます。つまり、物理量の間の関係を定量的に示して、初めて正しい理解が得られます。しかし、数式だけで現象を理解することは難しいので、通常は理解しやすいようなイメージが色々と考えられる訳です。単に、自分で納得するだけであれば、自分で好きなようにイメージすればよいのです。
　気をつけなければならないことは、そのようなイメージから理論を導くことはできない、ということです。イメージからヒントが得られることはあるでしょうが、イメージだけで理論は作れません。例えば、質問者様が考える「ふるふる」について、単に、イメージとして持っておくだけで、実際に光子の挙動を求めるときは、電磁気学とか、場の量子論を応用する、というのならば、まったく問題はないのですが、「ふるふる」を現実の運動と考えて、その力学を求めようと考えてしまうと、まったく見当はずれな方向に行ってしまいます。
　ということで、数式を使って理解することをお勧めします。その上で、光子が球体であるとか、自由に好きなようにイメージすればよいのです。

お礼

正直に書きます。
最初から数式は苦手だと書いているのに「数式を使って理解することをお勧めします。」って、なんて不親切な人。
最初はそう思いました。しかし、よ～く考えてみました。

映像イメージに関しての話を総合すると、光には形も質量も無い。ゆえに光の動きを正しく映像化することは不可能。無理に映像で理解することは正しい理解の妨げになる可能性もある。光を正しく理解をするためには数式が不可欠。

「船も飛行機も苦手です。自転車で東京から沖縄へ移動したいです。」
そもそも私の質問は、これに匹敵するほど無理難題だったのかもしれません。他の方はそれでも私の苦手意識を尊重して色んな手段を教えて下さった。それに対しshiaraさんは「ちょっとぐらい我慢して飛行機に乗った方がいいよ」とアドバイスを下さった。
これは東京－沖縄の距離や、沖縄に至るまでの地形を正しく知った上で、自転車で移動することの大変さや危険さ無理な部分を想像したからであり、そう考えるとこれはむしろ、
…むちゃくちゃ親切やん。

そもそも回答に対し正誤で語るならともかく、親切不親切で語ろうとする事自体がナンセンスです。そしてそれすら間違っていたとは。
ホント、お恥ずかしいです。

shiaraさんのおかげで意図せず別の色んな事を考えるきっかけになりました。冒頭の文章では本当に失礼しました。

確かに数式は半端なく苦手ですが、ちょっと頑張ってみようという気になります。貴重なアドバイス、本当にありがとうございました。

補足

お返事を下さった皆様へ
ちょっと場違いですが、この場を借りてお伝えさせていただきます。
この質問に関しては、私自身まだまだ消化不良な部分が多く、独り言として不明な点を挙げてはおりますが、これ以上は自分で調べるべきことであり、このままにしておくとこれに答えてくださる人も現れそうなの、一旦〆てポイントを発行させていただきます。
何かありましたら、gooのメールアドレスがあります。yukieta@mail.goo.ne.jpです。

この教えてgooには感謝していますが、皆様全員にポイントを出すという、そんなささやかなお礼すらできない事、とても恨めしく思います。
せめて、できる限り、教えてくださったことを理解するよう努力します。
本当にありがとうございました。

（また変なことを聞きに来るかもしれませんが、もしよろしければその時も…）

回答No.6

noname#11466

＃５です。ちょっと補足します。

もし「電場」のイメージがつかめなかった場合には身近な例としては、静電気があります。
よく静電気で服がまとわりつくとか、女性であれば髪の毛がという経験があると思います。
あれは電場の力であり、電場が体と服の間に発生しているのです。

その電場がたとえば上向き、下向き、上向き、下向き、．．と振動するわけです。

お礼

ありがとうございます。
冬の朝、ブラシで髪をとかすと、重力に逆らってありえない髪型になる事がありますが、頭部を中心に、むわーっとなってるその一帯が電場なわけですね。

回答No.5

noname#11466

ご質問者の場合、まず粒子的性質を示す「光子」のことは忘れて、波としての「光」をきちんとイメージした方が良いでしょう。いきなり光子の話しが出てくると混乱するだけです。
まず光には「形」も「質量」もありません。ではどんな物なのかというのは、光の誕生を知ると良いのではと思います。ちなみに光は電磁波ですから電磁波の誕生を書きます。

まず基本的には電子とか陽子という電気を帯びた粒子が光を生み出す母親であり父親です。
光が誕生する場合、人間は必ず父と母がいて生まれますが、光の場合は電子だけ、陽子だけでも誕生します。
まず、電子は－の電気を帯びています。陽子は＋の電気ですね。
で、この電気を帯びている状態ではその回りに「電場」というものが作られます。
これはたとえば磁石ですと「磁場」、重力ですと「重力場」に相当する物です。
電場は電子の回りを取り囲んでいるわけです。
でこの電場が光の誕生に非常に重要な役割を担います。

さてそれではどのようにして生まれるのか説明しましょう。
いま電子が上下に振動したとします。するとそれに合わせて電場も振動します。これはイメージしやすいかと思います。
（本当は変位電流で説明すべきですが説明しにくいから厳密性を犠牲にします）
ここで電場が振動すると、実は電磁誘導の法則というものがあり、振動する電場により振動する磁場が作られるのです。更に言うと振動する磁場があると振動する電場が生じます。
つまり、
電場が振動－＞磁場が誘導されて振動－＞電場が振動－＞磁場が振動－＞．．．
という繰り返しが発生します。

これが電磁波です。で、この繰り返しのスピードが遅い場合は電波と呼び、早い場合には光と呼んでいます。繰り返しのスピードは周波数（単位時間当たりの繰り返し回数）で表します。

ちなみに電波の場合には周波数が低いので、初めが磁場の振動－＞電場の振動－＞．．と磁場で始まることはあります。ただ光の場合はあまりにも振動が早すぎるので誕生は基本的に電子がその主役ですから電場の振動が出発点になります。（電子は非常に軽いので振動させやすい）

ちなみに電磁波の進む速度は、かのアインシュタインが「光速度普遍の原理」で光の速度は一定としましたので、１秒間に３０万ｋｍすすむのは、たとえ周波数が遅くても早くても同じです。

で波長、つまり一周期の長さは、３０万ｋｍ／周波数　なのでこれにより波長がわかるわけです。
ご質問にある、

■○　○　○　○　○⇒光子の進行方向（速度＝光速？）
↑　　｜--｜
↑　　　↑
↑　　　☆この距離が波長?
タテにふるふるしている幅（振幅?）

の「光子」を電場とか磁場とかに置き換えればＯＫです。

ちなみに勘違いしないように説明すると、電場は電場で連続しています。磁場も磁場で連続した波になっています。
でこの両者はいつも直行しています。

つまりＸ，Ｙ，Ｚを３次元の各方向とすると、仮にＺ方向に光が進み、Ｘ方向への振動が電場だとすると、Ｙ方向の振動が磁場と言うことです。

ちなみに光の世界では電場と磁場の両方を考えるとややこしいから、磁場を無視して電場のみで考えることが多いです。（これには理由があるのですが脱線するので割愛します）

ちなみにこの光が何かの物質に当たったとしましょう。
するとその物質を構成している原子なり分子の電子を光の電場の力で振動させようとします。
そのとき電子は、
Ａ．無視して振動しない
Ｂ．電子は振動し、振動する電子が光を誕生させたようにもう一度光を誕生させて振動がとまる
Ｃ．電子は振動し、その振動を光ではなく熱とか他の物に変えてしまう
などの変化を遂げます。
Ａ，Ｂの場合は光が通り抜けますので透明です。
Ｃの場合は不透明です。
ＢとＣの中間という物もあり、これはサングラスなど半透明なものになります。

これが光です。

さてついでに「光子」の話しを少ししましょうか。
上記では光は「連続した波」として扱いました。しかしこの波を「非常に小さな瞬間的な波の集まり」と見ることもできます。これを「波束」といいます。（繰り返しますが厳密性を犠牲にしています。詳しい方はつっこまないで下さい）
つまり簡単に言うと、

　　　＊　　　＊
　　＊　＊　＊　＊
　＊　　　＊　　　＊

数回の振動でかつ非常に振幅の小さい波が沢山集まって、一つの大きな波になっていると考えるわけです。この波束を「光子」と呼ぶのです。（繰り返します。あくまでイメージです。）

面白いことにこの光子は最小単位でこれ以上小さな波の集まりには分解できません。そのことにプランクという人が気が付いて、それが量子力学という学問を作りました。

では。

お礼

こんなに丁寧なご説明をいただいてしまい、かえって恐縮です。

> まず光には「形」も「質量」もありません。

質量がないのは知っていましたが、形が無いというのは少し誤解をしていました。
物が見えるというのは光子が物にあたってはねかえるからで、光子に光子を当てても当てた瞬間に軌道が変わってしまい正しい形を見ることはできない。よって、本当は何らかの形があるんだけれども誰も見たことがないから定義できない。そんな風に思っていました。
そうですか、形はないのですか。それは定義のしようがないですよね。

あと、今回頂いたご説明には、現段階ではまだ消化不良な部分が多いですのでこれから調べる予定です。ご報告までに、これから調べる予定のところを書いておきます。

・電気を帯びるとは具体的にどういうことか。
・電磁波が生じるきっかけは具体的にどんなことか
・仮に、Z=光 X=振動 のときY方向の振動が磁場とは
・磁場を無視し電場のみで考えるとは
・光が何かに当ったときについて、Ａ，Ｂのそれぞれの具体例（Ｃはきっと電子レンジ）
・波束について

Attorneyさんのおかげで、更に調べたい事や調べるにあたって使うべきキーワードが随分わかってきました。当初、割と軽い答えが返ってくるものだと考えていたのですが、皆さんこんなに丁寧に答えてくださるとは驚きです。

本当にありがとうございました。

回答No.4

subarupapa

質問の４に関して
進行方向に対して直角ですが上下左右にランダムは正しい
偏光板（偏光サングラスなど）を通すと上下あるいは左右にふるふるだけを通過させます

だから偏光板を重ねて片方を回転させると両方の光を通さない真っ黒の状態が出来る事が観察できます

物質を通過すると光のふるふるはちょっと右に回ったり（右旋性）左に回ったりします（左旋性）
物質名の前にｄとかｌとかつくのがこれです

お礼

なるほど。↓のお礼文でも書きましたが、完全に粒がふるふるしている状態をイメージしていましたので、場合によっては進行方向に対して平行にふるふるしている事も考えられるのかと思っていましたが、波を思い浮かべ、そこはさすがに払拭できました。波であれば進行方向に対して直角というのは当然ですよね。

それにしてもNo.2さんもそうですが、私の幼稚な「ふるふる」という表現をそのまま使って説明していただき、私にとってはとても分かり易くて感激です。

実はどこかのサイトで何度か偏光板の話は読んでいたのですが、偏光板自体が何のことかわからずそのままにしていた。これを機にサイトで調べもう一度読み直してみると理解できるようになりました。
また、右旋性や左旋性については初耳で勉強になりました。

質問する前は、ちょっと質問すること自体を躊躇してたのですが、質問しなかった場合変な誤解をしたままさらに誤解を重ねるところでした。

思い切って尋ねてみてよかったです。答えてくださったみなさん、本当にありがとうございました。

回答No.3

mashahide

え～っと、なんとなく補足です。

ご存知かとは思っているのですがあえて確認で。

光子が波のように進んで周波数を持つ訳ではなく、光は光子（粒）ともとれるし、うねりのある波（これで一つの物、つぶつぶが波運動している訳ではない）ともとれる、と言う事です。

お礼

> ご存知かとは思っているのですがあえて確認で。

↓のお礼文でお察しとは思いますが、見事なまでに「粒が波状に進むんだ」と勘違いしておりました。

言われてみれば、海の波だって、確かに水分子？は波によって動きますが、それは例えば波の頂点に乗っかってそのまま進行方向へ移動していくわけではなく、あくまでもその場で上下運動をするだけですものね。水の上下運動という形で進行方向へ伝わっていくのは物質ではなくてあくまでも運動エネルギーだと考えてよいのでしょうか。

とにかく説明していただいた内容で、どうにか粒がふるふるしながら進んでいくイメージは払拭できました。
しかし光子は波と違って光子自体がやっぱり前に進んでいく。だめだ、どうしても何かがうねりながら前に進んでいくイメージ映像の呪縛から逃れられないです。
(T_T)

せめてもうちょっとマシなイメージ映像に置き換えることができればと思うのですが。いずれにしても、まさに私が大きな勘違いをしている点についてズバリ指摘していただきましたこと感謝しております。ありがとうございました。

回答No.2

sinobu_wednesday

(1)ふるふるしているのは光子ではありませんが、それ以外はそんなに大きく間違ってはいません。

(2)はい、その通りです。

(3)はい、だいたいその通りです。というのは振動数が大きくても、多数の光子があればエネルギーは強くなります。つまり、エネルギーは振動数だけには依りません。

(4)ふるふるの向きは光子の進む方向に対して垂直です。

(5)うーん、微妙に違います。波であり粒子であるということは、波としての方程式と粒子としての方程式という全く異なる二つの式に同時に従う、わけのわからないもの、という意味で、「バイブで震えながら飛ぶ携帯」という例えは単一の力学的方程式で表せてしまいますよね？とはいえなかなか味のある例えだとは思います。

(6)球体であるというのがもっとも人間には理解しやすいですが（逆に球体でない理由を考えついた人は凄い）、もちろん観測できませんから本当のことはわかりません（定義も出来ません）。

(7)はい、表せます。

お礼

光子がふるふるするのはきっと、携帯がふるふるしているように、中心に不均等な何かが詰まってて回転してるからに違いない。凄いことを思いついたぞ。それにしてもバイブ中飛ばすなんていい例を思いついた。自分って天才かも。などと思っていましたが玉砕です。恥ずかしすぎます。(笑)
そうですか、光子はふるふるしてないのですか。映像的なイメージが湧けばもう少し理解も深まると思うのですが、いずれにしても光子がふるふるしているのではないということだけは分かりました。
あと、エネルギーは振動数だけに依るものではないということは最近の質問にもあった振幅も関係してくるということでしょうか。面白そうなのでもう少し調べてみます。
形状はやはり、定義できないのですね。有力な説ぐらいならあるのかなとか思ったのですが、形状をイメージするのはやめておきます。
分かりやすい説明をありがとうございました。

回答No.1

chibitakun

ここお勧めよ^^

参考URL：

http://sc-smn.jst.go.jp/8/bangumi.asp?i_series_code=C012401&i_renban_code=017

お礼

早速みました！
途中2進数あたりからいつのまにか目をつぶっていたらしく脳内映像に切り替わったため再度見るハメになったのですが、^^; 番組を見終わりサイトをよく見てみると、他にも興味ありそうな番組が満載でした。本当によいサイトをお教えいただきありがとうございました。