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光とは何か

【光は電磁波の一種】
 光といって思いつくのは太陽の光や室内の照明や車のヘッドライトなどいろいろありますが、 物理的には電磁波の一種ということになります。

 電磁波とは電界(電気の影響が及ぶ範囲)と磁界(磁気の影響が及ぶ範囲)の変化によって形成された波 のことで、電界と磁界がお互いの電磁誘導(「磁石はなぜくっつく?」参照) によって交互に相手を発生させあうことでできる振動が空間を伝搬していきます。

 電磁波にはさまざまな振動数(1秒間に進む波の数で周波数ともいう)または波長(波の山と山の間隔の長さ) をもつものがあり(図1)、目に見える可視光は波長が380~400nmから760~800nmまでの間の電磁波のことですが、 光としては可視光より波長の長い赤外線や波長の短い紫外線も含められることもあります。

(図1:クリックして御覧ください)


【光より速いものはない】
 光の進む速度は一定で、真空中では秒速約30万キロメートルで、地球を7周半に相当します。 光速より速いものは存在しません。

 光速は光源や観測者の速度にかかわらず「相対速度が変化しない」という特徴を持っており、 特殊相対性理論の基になっています。光速は以下の式で表されます。

   光速=波長×周波数

 また、光は波のように進むイメージがありますが、実際には波動と粒子の両方の性質を持っており、 波動の性質をあらわす場合には光波、粒子の性質をあらわす場合には光子といった具合に波と粒子の二面性をもっています。

 これは光が波でなければ説明がつかない現象(光の回折や干渉など)と、光が粒子でなければ説明のつかない現象 (物質が光を吸収した際に物質内部の余分な電子が放出される光電効果など)が確認されているためで、 これらの現象を矛盾なく説明するために量子力学という理論が20世紀始めに形成されました。