光は私たちの生活に欠かせない存在であり、物理学の世界でも極めて重要なテーマの一つである。本記事では、光の性質について、電磁波としての波動性から粒子としての振る舞いまで詳しく解説する。
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1. 光は電磁波である：波動性の理解
1-1. 光の本質：電場と磁場の相互作用
可視光、X線、紫外線、赤外線、マイクロ波、電波など、光はすべて電磁波である。これらは波長の違いによって分類され、電場と磁場が直交しながら進行する波として伝わる。
1-2. マクスウェルの方程式と光速度
電磁波の性質を記述する基礎方程式はマクスウェルの方程式であり、これにより電磁波の速度は真空中で
c=2.9979×108m/s
と求められる。これは光速そのものであり、光が電磁波であることを示している。
1-3. 干渉・回折と波動の証明
ヤングの二重スリット実験によって、光が干渉や回折を起こすことが確認された。これは光が波として振る舞う決定的な証拠である。
2. 光の粒子性：光電効果と量子論
2-1. 光電効果とは？プランクとアインシュタインの理論
19世紀末から20世紀初頭にかけて、光の波動性だけでは説明できない現象が発見された。その代表例が光電効果である。
光電効果とは、金属に光を当てた際に電子が放出される現象であり、アインシュタインはこれを説明するために「光は粒子（光子）として振る舞う」と提唱した。
2-2. 光のエネルギーと量子化
光子のエネルギーは振動数（波長）に比例し、
E=hν
という式で表される。ここでhはプランク定数（6.6261 × 10⁻³⁴ J·s）、νは光の振動数である。
この理論によると、光のエネルギーは連続的に変化するのではなく、「量子化」された値を持つことが分かる。
3. 光の二重性：波と粒子の両方の性質を持つ
3-1. コンプトン散乱と光の粒子性の証拠
X線を電子に当てると、散乱されたX線の波長が長くなる現象（コンプトン効果）が観測される。これは光が粒子として運動量を持ち、電子と衝突してエネルギーをやり取りすることを示している。
3-2. 量子力学における波動性と粒子性の融合
シュレディンガー方程式に基づく量子力学では、電子などの粒子も波として記述される。つまり、光は「波でもあり粒子でもある」という二重性を持つことが、現代物理学の基本原理として確立された。
4. まとめ：光の性質を理解する重要性
光は波としての性質と粒子としての性質の両方を持つという特異な存在である。電磁波としての振る舞いは古典電磁気学によって説明されるが、光電効果やコンプトン散乱のような現象は量子力学を用いなければ理解できない。
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