電子と光子、どちらのエネルギーが高いか

質問

電子も光子も真空中で光速の場合、どちらのエネルギーが高いですか。電子は質量を持ちますが、高周波の光子も強力そうです。

回答No.7

Nakay702

ド素人なので勝手に想像するのですが、例えば、「nVの電子とnVの光子とではどちらが高エネルギーか」と言うなら、おそらく、どちらも同じと答えますよね。そういうことでなく、お尋ねの趣旨は、「１個の電子と１個の光子（のエネルギー）は、状況・環境などの違いによってどう変わるのか」と言い換えてもいい問いなのでしょうね。私はそう理解しました。

簡単のために単純化しますが、真空中の１個の電子と１個の光子を想定します。この状況では、電子は0.511 MeV/c²のエネルギーを持ち、一定の場に「静的に」留まることもあり得ますね。他方光子は、質量ゼロで、しかも波動しながらエネルギーは減衰していきます。つまり、この状況では電子のエネルギーが上位にあります。長波・中波・短波・マイクロ波・赤外線・可視光線・紫外線あたりまでがこの域内に収まると思います。
ところで、電子とその反粒子である陽電子が衝突すると放射性の電磁波が生成されるといいます。このレベルの電磁波は（電子＋陽電子でつくられるということの結果として）、その際に生まれるエネルギーは、電子に何らかの力が加味されたことを物語るわけで、その分、電子のエネルギーより光子のエネルギーの方が高いことを意味すると考えられます。超紫外線・α波・β波・軟x線・x線・γ線などがこの域内に収まると思います。

以上をまとめると、紫外線を中央値にして、それより左側では電子が、右側で光子がエネルギーに関して優位にある、と言えるのではないか、と考える次第です。

回答No.6

QCD2001

＞１eVの電子と１eVの光子のエネルギーを比較したいです。

鉄１ｋｇと綿１ｋｇとでは、どちらが重いですか？
両方とも重さが１ｋｇなので等しい重さですよね。

エネルギーの大きさが1eVの電子と
エネルギーの大きさが1eVの光子とでは、
エネルギーの大きさはどちらが大きいですか？

どちらもエネルギーの大きさが１eVなので、エネルギーの大きさは同じです。
eVというのはエネルギーの単位ですよ。

＞１eVの光子の周波数も知りたいです

前の回答に書いた通り、
１eV＝2.41799×10＾14Hz
です。

お礼

光子のエネルギーはeV換算して表記できる訳ですね。もっと勉強して将来は運動エネルギーや位置エネルギーもeV換算で表記できるようになりたい気分です。良いお手本に感謝します。１eVの光子エネルギーは可視光線の周波数、信号機やチェレンコフ光の青い光前後かもですね。ありがとうございます。

回答No.5

QCD2001

＞光子より電子の方がずっと高エネルギーなのですね

違います。電子も光子もいろいろなエネルギーを持つことができます。
X線管の中で、10KeVの電子から発生した光子のエネルギーが１０KeVより小さいというだけです。
５ｋeVの電子線よりも高いエネルギーを持っています。
いろいろな大きさのエネルギーを持つ光子と、同じようにいろいろな大きさのエネルギーを持つ電子とを、エネルギーの大きさを決めずに比較しても意味がありません。

光子と電子のエネルギーを比較するとして、
そのときの光子は、どのくらいのエネルギーを持つ光子を比較対象とするのですか？
そのときの電子は、どのくらいのエネルギーを持つ電子を比較対象とするのですか？

５ｋeVの電子と１０KeVの光子とを比較したいのですか？
それとも
５ｋeVの光子と１０KeVの電子とを比較したいのですか？

ただ単に「電子と光子」とを比較する、というのは全く無意味です。
「光子より電子の方がずっと高エネルギーである」と考えるのは間違いです。そもそも比較になていません。

＞絶対零度近くで電子がほぼ静止状態でなければ

エボナイトを毛皮でこすると、エボナイトがマイナスに帯電し、毛皮がプラスに帯電します。このときエボナイトに帯電している電荷である電子は、ほぼ静止しています。室温でも電子は静止します。摩擦で温度が室温より上がっているかもしれません。それでも電子はほぼ静止しています。
絶対零度でなければ静止しないと考えるのも間違いです。

お礼

静電気を帯びた毛皮内の電子がほぼ静止状態ならば、導線に繋がっていない乾電池内の電子もほぼ静止状態そうですね。目からウロコです。

１eVの電子と１eVの光子のエネルギーを比較したいです。１eVの光子の周波数も知りたいです。でも回答者様は私より多分ずっとご多忙で、ご家族とのお時間も大切ですし、何度も回答されてご親切にしてくださっていますので、少しも急ぎではありません。ありがとうございます。

回答No.4

QCD2001

E=hν＝ｈc/λ

１eV＝2.41799×10＾14Hz＝1240/λ（nm）

なお、

可視光　350～800nm 1.55～3.5eV

医療用X線　0.5～0.1nm程度 2500～15,000eV程度

X線を発生させるX線管の多くは、5,000から10,000V程度の電圧で電子を加速して、５ｋeVから10keV程度のエネルギーにして、これを電極にぶつけ、５ｋeVから10keV程度のエネルギーのエックス線を発生させています。
電子線のエネルギーが100％すべて光子に変換されるわけではないですから、発生したX線のエネルギーは、もとの電子線のエネルギーよりも小さくなっているはずです。また、線形加速にの技術が発達したおかげで、GeV程度の電子線も作れるようになってきています。

従って、他の回答者の
「紫外線あたりまでは電子のエネルギーが高く、それ以上の電磁波、例えば、紫外線・ｘ線・γ線などの場合は光子のエネルギーの方が高い」
というのは間違いであることがわかります。

お礼

医療機器からの分かりやすい解説に感謝します。絶対零度近くで電子がほぼ静止状態でなければ、光子より電子の方がずっと高エネルギーなのですね。一ボルトの電位差を作るのに電子が幾つ要るのか等、疑問が次々湧いてきます。回答者様のような医療や数学の得意な友人を持っている方々も幸せですね。ありがとうございます。

回答No.3

Nakay702

以下のとおりお答えします。

＞電子も光子も真空中で光速の場合、どちらのエネルギーが高いですか。電子は質量を持ちますが、高周波の光子も強力そうです。
⇒なるほど、おっしゃりたいことは分かるような気がします。

仰せの見方から考えると、紫外線あたりまでは電子のエネルギーが高く、それ以上の電磁波、例えば、紫外線・ｘ線・γ線などの場合は光子のエネルギーの方が高い、と言えるかと思います。

お礼

絶対零度近くで電子がほぼ静止状態なら、紫外線以上の光子の方がエネルギーが高そうですね。ありがとうございます。

回答No.2

QCD2001

質問者さんは、またわけのわからない質問をしていらっしゃいますね。

まず一つめに
水中での電子のスピードについて、０からほぼ光速まで、いろいろなスピードになり得るから、どんなスピードか決めないまま光より速いか遅いかを問うのは無意味だ、という趣旨の回答をしたつもりです。電子はいろいろなスピードを取れるので、エネルギーもいろいろなエネルギーになります。
０eVから100,000,000,000TeV以上まで、いろいろなエネルギーになります。

一方光子もいろいろなエネルギーになります。
０eVから100,000,000,000TeV以上まで、いろいろなエネルギーになります。

どのエネルギーの電子と、どのエネルギーの光子を比較したいのでしょうか？

10eVの光子と10TeVの電子を比較したいのですか？それとも
10eVの電子と10TeVの光子を比較したいのですか？

比較の対象が決まらなければ、比較できません。

次に二つ目に、他の回答者様も書いていらっしゃるように、電子は光速には到達できません。従って、光速度で運動している電子が存在しないので、そもそも比較対象が存在しないので、比較できません。

お礼

私も電子を光速の半分に設定しようかと迷ったのですが、私自身数学が苦手なので、光子も電子も等速に設定させてもらいました。でも現実には起こらない状況ですよね。単純化しすぎたようで失礼しました。

質量エネルギー互換性のアインシュタインの公式E＝mc²が当てはめられそうなら、１eVの電子一粒のエネルギーは？Hzの光子一粒のエネルギーと同等、というような、円とドルの為替みたいな換算式をどなたかに作ってほしい気分です。道頓堀のグリコに私がこだわりすぎかもです。自分で自分の書いている内容が意味不明ですが、ありがとうございます。

回答No.1

mnymnymny

電子はわずかながら質量をもって、光速に達することは不可能です。もし可能であれば、もちろん質量を持つ電子です。

お礼

現実にはあり得ない設問で失礼しました。ありがとうございます。