光のエネルギーとは？

質問

運動エネルギーは「質量×速度」ですよね。
質量があるものは光速になれませんよね。
光子は質量が0なので、光速になれるのでしょうが、
そうすると、光のエネルギーって、どういう風に考えればよいのでしょうか。
運動エネルギーは上の式からすると0になるように思えますし、でも、光子エンジンなどでは、光がぶつかることで速度がでるようですし。

回答No.5

noname#43437 · ベストアンサー

No.3です
E = m * C^2
という有名な式の意味するところは、質量とエネルギーの等価性、です。

E = h * ν
E = m * C^2

したがって、

m = h * ν / C^2

これが、振動数νの光がもつ「質量」です。
質量がわかったので、この運動量pを求めると、

p = m * v

上式と、v=Cにより、

p = ( h * ν / C^2 ) * C

p = h * ν / C

これが、光のもつ運動量です。
運動量のあるモノが物体に衝突すると、その運動量を衝突相手に与える・・・というのは、普通の物理の世界、ですね。

お礼

再度の回答有難うございます。

なるほど、光速の状態である光子には質量があるということでしょうか。
このサイトの別の質問で「光子は質量を持つが静止質量は0だ。」というのをみつけたのですが、その意味が少しわかったような気がします。

ところで、光子の静止質量って、光子が止まることなどあるのでしょうかね。

回答No.9

ht1914

難しそうな話になっていますね。

「輻射計」についてだけ書かしてもらいます。

輻射計はガラスの中に片側を黒く塗った羽を４枚持つ羽根車が入っています。ストーブの近くに持っていったり、強い光を当てると羽根車が回転します。ラジオメータといいます。

これは量子効果を見る道具ではありません。熱輻射計です。中に空気が入っています。高等学校や中学校の理科の授業でも見ることのあるものです。羽根が回る原理は黒く塗った羽の面が光を吸収して温度が上がるとその近くの空気が熱せられます。温度が高くなると気体の分子運動は激しくなりますから羽に当たる衝撃は裏側のものよりも強くなります。この衝撃差で羽が回転します。ネットの解説などでは圧力に差が生じてと書いてあるものもありますが同じ意味だと考えていいでしょう。蛍光灯よりもストーブの光の方がよくまわりますので赤外線の説明にも用いることが出来ます。

「ラジオメータ」で検索してもらうと解説記事がたくさん出てくると思います。

＃６の解答では光電効果とごっちゃにしています。光電効果で出てくる電子で羽を回すようなエネルギーは持っていないでしょう。光電効果は以前は光電管の中だけでした。今は真空管式の光電管は博物館にしかないかもしれないという状況です。でも原理は半導体センサーなどで使われているでしょう。

お礼

回答有難うございます。

「輻射計」というのですか。あれはてっきり中が真空だと思っていたのですが、要は中の羽が熱せられて、風車のように回っていただけだったのですね。
お恥ずかしいです。

補足

この場をお借りして、皆様にお礼申し上げます。

私の稚拙な疑問にこんなにたくさんの回答をいただき本当に感謝しております。

完全には理解できないようにも思えますが、おぼろげながら、納得できたような気がします。

回答No.8

noname#43437

古典論、というわけではないと思いますが・・・

そもそも、コンプトン散乱における反跳電子の本質は、光子と電子の弾性衝突です。
また、高エネルギーなＸ線のように電子をたたき出すまでいかなくとも、軌道上の電子に力を加えることで、原子自体に力を加えることになります。

とりあえず、分かり易そうなサイトを。。

参考URL：

http://www2.kutl.kyushu-u.ac.jp/seminar/MicroWorld/Part3/P37/Compton_effect.htm

お礼

有難うございます。
なんとなくわかったような気がしてきました。

回答No.7

noname#160321

>質量0のものがいくら衝突してもたたき出されることはないように思えてしまうのですが。

そこがアインシュタインの偉いところで質量ゼロだがエネルギーのある光子が物質中の電子を光が当たった側に突び出させる「反跳電子」という現象を説明してしまったのです。
これが質量ゼロでエネルギーしか持たない光子が電子をたたき出して輻射計を回転させるメカニズムなのです。

お礼

有難うございます。

アインシュタインのような天才の思考は理解することが難しいですね。

回答No.6

noname#160321

皆様は「古典論」で無理矢理考えておられるようですが、光が当たってプロペラの回る「輻射計」は光子がプロペラの原子をたたき出し（たたき出すエネルギーはｈν＝（1/2）ｍｖ２）その反動で回転する原理で回っています。
光に質量を考えるのは一般論から考えても無理です。

お礼

再度の回答有難うございます。

原子をたたき出すのは光子だと思うのですが、このたたき出す方向というのは、光子の進入方向にならないと回転しないとおもうのですが、これは古典的な衝突による反発ではないのでしょうか。

質量0のものがいくら衝突してもたたき出されることはないように思えてしまうのですが。（このあたりが、物分りが悪いので申し訳ありません）

回答No.4

Tacosan

波長λ の光子は, 運動量 (の大きさ) が h/λ であるような粒子と考えることができます.
今, 質量 m の鏡で光を反射させることを考えます. 光子の持つ運動量 (ベクトル) が反射前には p だったものが反射後に p' になったとすると, この差 p' - p の分だけ鏡が光子に運動量を与えたことになります. 逆にいうと, 光子は鏡に運動量 p - p' を与えたことになります. その結果, (ニュートン力学的には) 鏡は速度 (p - p')/m を得ることができます. これを繰り返せば鏡の速度は速くなる (かもしれない) ということになります.

お礼

再度の回答有難うございます。

反射により波長が長くなり、その分のエネルギー（運動エネルギーとはいえないかもしれない）を相手に与えるという理解でよろしいでしょうか。

なんとなくわかったような、わからないような。
（すみません。物分りが悪いもので）

回答No.3

noname#43437

光子の質量は０ですが、
光のエネルギーEは、光の振動数νに対して
E = h * ν
h:プランク定数
で与えられます。
また、エネルギーは、有名な式
E = m * C^2
によって容易に質量に変換されます。
質量のある粒子の運動エネルギーではなく、
純粋にエネルギーのみからなる質量、という感じでしょうか。。

お礼

回答有難うございます。
光は光速以外の状態は取らないと思っているのですが、質量に変換されるというのはどのようなことをおっしゃっているのでしょうか。
ある物質にぶつかったとき、その物質の質量が増えるということでしょうか。

ものわかりが悪いため、ご面倒をおかけしますが、もしよろしければ教えてください。

回答No.2

Tacosan

たぶん, 運動エネルギーよりも運動量で考えた方がいいと思う.

お礼

回答有難うございます。
運動量で考えた場合にはどのように考えればよいか教えていただけないでしょうか。

回答No.1

noname#160321

最近ニュートリノに質量があることが見いだされましたが、光に質量はありません。
光のエネルギーは振動数だけで決まります。光はエネルギーそのもので、運動エネルギーはありません。
光子エンジンは一時はやりましたが、最近はお目にかかりません、実際に使えるイオンエンジンなどに取って代わられたみたいです。

お礼

回答有難うございます。
昔見た実験で、真空中に風車のような羽のついた金属板に光を当てるとクルクル回るというのを見た記憶があるのですが、運動エネルギーがない光が当って回転するというのが良くわからないのですが。もしよろしければ教えてください。