光は波なの粒なの？

諸説あると思う、黒豆柴です🍀

息子の夢『万物の理論の完成』のため物理の普及活動をしています。
後進の育成、親世代との共育、学びの機会の一助になりたいです。

📖 夫婦の子育てを記事にしています。
📖 日常の素朴な疑問を説明しています。
📖 水 / 土曜日の 19：30に更新を予定しています。

お知らせ

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納得するまで議論✨

わが家は、疑問があると家族で調べたり、クイズをしたり、議論をすることが大好きです。
プライバシーに配慮した個人部屋や書斎という環境がないため、いつものように家族全員が『ダイニングキッチン』に集合しています。
家族のだれかに素朴な疑問が生まれると、すぐに家族会議の開催です。

白熊猫：おい！光ってなんなんだ？　説明するんだゾ！

白熊猫の素朴な疑問

光

素朴な疑問に全員が納得するまで説明したり、調べたり、ときには白熱したバトルに発展していきます。

学祭で息子が『光』について学生講演を行うので、夫婦で知識武装です。
ボクが調べて妻に説明するお馴染みのスタイルですが、なかなか納得してもらえないので、物理学者に必須な『説明力』が鍛えられます。

光は『速い』イメージ✨

まずは『光（ひかり）』についてのイメージを夫婦で共有します。

白熊猫：『ひかり』といえば、新幹線なんだゾ！
黒豆柴：いきなりマニアックな話やね。

鉄子さんのイメージ

東海道新幹線・山陽新幹線の新幹線は、大和言葉で命名されています。
ボクの生息地には、『のぞみ』は停車しないため馴染み深いのは『ひかり』と『こだま』です。

（新幹線と大和言葉）
🚄 のぞみ「希望」…ボクの生息地には停車しない
🚅 ひかり「光」…主要都市のみに停車
🚅 こだま「木霊（音）」…各駅に停車

鉄子さん『新幹線と大和言葉』

新幹線は速いというイメージを『光と音』で表現して運行されていました。

✨『光』は、速い
✨『ひかり』は、ボクの生息地に停まる優しい新幹線

夫婦の共通イメージ

▼ 『大和言葉』にもっと触れたい方には、この記事がおススメです。

📖 光は最大の速さ

光は、物理の世界では最大の速さとされており、物理学において時間と空間の基準となる特別な意味を持つ値です。
例えば、質量とエネルギーの等価性は、静止座標系における質量とエネルギーの関係式であり、物理学者アルベルト・アインシュタインの有名な公式によって記述されます。

$$
E=mc^2
$$

粒子の静止座標系におけるエネルギーをＥ、質量をｍ、光速をｃとした積です。

光速（電磁波の電波の速さ）は、マクスウェル方程式によれば、次の関係で与えられます。

$$
c=\frac{1}{\sqrt{ε_0μ_0}}
$$

真空の誘電率と真空の透磁率を代入すると電磁波の速さ（光速）が約30万㎞/sとなります。

光は『1秒間に地球を7.5周できる速さ』です。
38万㎞離れた月まで1.3秒、1億5,000万㎞離れた太陽まで8分とされています。

✨『光』は、自然界の最大の速さ
✨『光の速さ』は、1秒間に地球を7.5周できる速さ

夫婦の共通イメージ

光の二重性✨

光は現象ごとに『波』であると説明したり、『粒』であると説明すると理解が深まります。
光の波としての振舞いは、『反射』『屈折』『回折』などの現象であり、光の粒としての振舞は、『光電効果』『コンプトン効果』などの現象です。

波動としての光を『光波』、粒子としての光を『光子』と呼びますが、さまざまな呼び方があります。

📖 光の色

光は、波長の長短で呼びかたが変化する『電磁波』です。
身の回りの太陽の光や照明の光などの目に見える波長の光を『可視光』といいます。

可視光は400nm～700nmの波長範囲の光です。
400nm程度の光は、目には紫色に見え、波長が長くなるにつれて藍色、青色、緑色、黄色、橙色に見え、700nm程度の光は赤色に見えます。

ひっぐすたん『【素粒子さん】光子くんの元気』より

目に見えない紫色よりも波長の短い光が『紫外線』『X線』『ガンマ線』であり、目に見えない赤色よりも波長の長い光が『赤外線』『マイクロ波』『電波』です。
紫外線は、殺菌・日焼けなどの化学的な作用が著しく、赤外線は、熱源・センサなどの熱的な作用を及ぼすことで知られています。

✨『光』は電磁波
✨『光』は目に見える『可視光』
✨『光』は波長の長短で目に見えない部分もある

夫婦の共通理解

▼ 以前にも『光』について記事にしています。

📖 光は『波』の性質をもつ

『反射』は、光が物体に当たると表面で跳ね返る現象です。
一方向に跳ね返る鏡反射と四方八方に跳ね返る乱反射があります。

『屈折』は、境界面において、波動が進行方向を変える現象です。
お風呂に入ると足が短く見え、太くなったよう感じます。

白熊猫：お前の足は、実際に短いんだゾ！
黒豆柴：え？屈折だよ…。

夫婦の会話

『回折』は、媒質や空間を伝わる波が、障害物の背後に回り込んで伝わる現象です。

✨『光』は波の性質をもつ

夫婦の共通イメージ

📖 光は『粒』の性質をもつ

『光電効果』は、物質に光を照射したときに電子が放出されたり、電流が流れたりする現象です。
光センサ、デジタルカメラや太陽光発電に幅広く利用されています。

『コンプトン効果』は、X線を物体に照射したときに散乱 X線の波長が入射 X線の波長より長くなる現象です。
光子が電子に衝突して散乱することをコンプトン散乱と呼びます。

『逆コンプトン散乱』は、宇宙空間で起こる逆コンプトン効果です。
光が高エネルギーに加速された電子に衝突されることでエネルギーを獲得し、X線や γ線へと変化します。

ひっぐすたん

波長の短い X線において『光子性』は顕著です。

✨『光』は粒子の性質をもつ

夫婦の共通理解

📖 光とは光子

明日の息子の講演がどんな内容だったのかを次回の記事にしたいです。
果たして夫婦の共通理解がどこまで可能なのかは、明日以降のお楽しみです。

✨『光子』は電磁場の量子化で現れる量子、電磁相互作用を媒介する

夫婦の共通理解

楽しい子育ての参考になると幸いです。

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ここまで読んで頂き、ありがとうございます。
少しづつ更新していきますので、よろしくお願いします✨

日常の疑問について調べたい、黒豆柴でした🍀

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#子育て #雑記 #光 #光波 #光子