なぜ波長で性質が変わるの？

質問

高校の物理の教科書を読んだり、インターネットによる中高生向きの解説ページを見ていて疑問に思ったのです。
「可視光線、赤外線、紫外線、Ｘ線、γ線、電波などは全て電磁波であり、波長の違いによって性質が異なる」（この一言が正しいのさえ良く分からない有様です）
それがなぜかわからなくて気になるのです。
波長って、波の長さですよね。
なぜ長さが違うだけで、目が認識できたりできなかったり、体に悪影響を及ぼしたり物を透過したり、そんなことができるようになるのでしょうか？
高校生くらいの知識で分かる程度に、簡単に教えていただきたいです。

回答No.3

noname#11476 · ベストアンサー

電磁波だけに注目してみましょう。
すると、違いは「波長」が違いますね。さらに波長が短いとエネルギーが高くなるということもあります。
もちろん波長が短くなると回折という波の現象が小さくなるなどの波としての特性は変わってくるでしょう。
（ゆえに電波はどこでも受信できるラジオなどに使われています。電波でも数ＧＨｚくらいになると指向性が強くなるので、衛星放送に使われ、アンテナを微調整しないときちんと受信できません。）

が、それだけしか違いがありません。つまりtera0309さんは非常によい着眼をしています。

実は違いがあるのは他の物質のほうなのです。
光が物質と相互作用しない限りは上記の違い以外にはありませんが、物質にとって波長の違いは大きな意味を持っています。
可視光は人間の目の中にある色素が光を吸収して電子を放出することのできる波長範囲をさしています。
つまりその色素が可視光の範囲を決めています。

赤外線は、ほとんどの物質で熱を持つときの熱振動に近い振動数なので、物質を加熱しやすいという性質があります。

紫外線は分子の構造を破壊する波長（特に有機物に対して）なので、人間にとって有害となります。

Ｘ線では骨などの一部の物質は吸収しますが一部の物質ではほとんど透過するちょうど中間的な波長になりますので、レントゲンに使われます。

すべては物質（原子、分子）と光の相互作用では、どのくらいの振動数＝波長であるのかによって、物質の反応が異なるためにおきることなのです。

では。

お礼

専門家の方から説明が頂け、感謝しております。
波が当たる対象物質の分子レベルでの大きさや性質によって、「波長によって性質が異なる」というご意見には、これまた「目から鱗」状態です。
それにしても、電磁波とは凄いものなのですね。
透過したり、ぶつかって熱エネルギーを発したり、携帯電話のように1と0の情報を送ったり、波長の違いと対象物の性質との組み合わせによって、様々な現象をもたらすのですね。
ところで、「光は光子という球が波打つイメージ」というイメージ図を見たことがあるのですが、光子とは何なのでしょうか？
電子は質量や電荷を持っていて、磁力などに影響を受けやすいことは、イメージとしてつかみやすいのですが、
光子は質量を持つ物質の一つなのでしょうか？

回答No.6

noname#11476

>「光は光子という球が波打つイメージ」というイメージ図を見たことがあるのですが、光子とは何なのでしょうか？

光には回折という波としての性質がありますが、もし波長が０だったらどうなるでしょうか。
もはや波としての性質は持たなくなります。
でもエネルギーはありますので、エネルギーの塊ということになりますね。
つまり、質量はありませんが、エネルギーのみある塊ということになります。
光子のイメージとしては、そのようなものと見ればよいでしょうね。

現実には波長が０ということはありませんが、波長が０でなくなったとたんに粒子としての性質を失うというものではなく、依然として粒子としての性質と波としての性質が混在します。
そのため、波長が特に短いときにはよく光子としての性質が現れます。

詳しくは量子力学という学問で取り扱いますが、そもそもこの量子力学の出発点となったプランクという人の研究は、古典力学のままでは波長が短いときに光のエネルギーが無限大になってしまうという矛盾を説明するために、作られた仮説から始まっています。
プランクさんは波長が短いときにうまく光に与えるエネルギーを制限する考え方を作り出したわけです。
この制限こそが量子化という概念に結びつきました。そのときに使った定数をｈとかきプランク定数と呼んでいます。
光子一つのエネルギーはｈν（νは光の振動数）に制限されるという決まりです。

では。

お礼

たびたび専門的な情報を有り難うございます。
イメージとしては、「光子というエネルギーの塊で出来た球は波を形作るが、その波長がとても短くなる（限りなく０に近づく）と、波の形状は見えなくなり、粒子の形状が露わになる」といった感じでしょうか。
このような話が量子力学の始まりなのですか。
「量子力学」という言葉は聞いたことがありますが、具体的な話は全く知らなかったです。
日常にたくさんあふれているものなのに、とても奥が深いのですね。

回答No.5

uhyohyohyo

では、私からも皆さんがさほど言及されてない部分でちょっとした豆知識をお話しておきます。

胃の検査のエックス線診断でバリウムを飲みますが、実はエックス線程度のエネルギーを持った電磁波は、原子番号の５乗に比例して吸収されやすいという性質があります。それで、化学的に安定(体内に入っても悪さしない)でかつ原子番号のなるべく大きい硫酸バリウムが選択されているわけです。例えば同じ量(原子核個数)だけのカルシウムをのんでエックス線検査に臨んだとしましょう。カルシウムとバリウムでは原子番号比は20/56、その５乗ですから約1/170しかエックス線は吸収されません。写真うつりが悪くなっちゃいますね。

エックス線とガンマ線は、出てきた後は何も変わりはありません。ただその発光機構の違いから名称が違うだけなのです。エックス線は原子や分子の作用(厳密にはその周りをまわっている電子、或いは自由電子が加速度を受けた時に放射する制動エックス線)で出てきた光で、ガンマ線は原子核がエネルギーを失うとき（脱励起といいます）に出す光です。

> 体に悪影響を及ぼしたり
mickjey2さんが紫外線について触れていますが、エックス線やガンマ線などではエネルギーが大きいためその作用がますます増大します。大きなエネルギーを持った光は原子の周りをまわっている電子を激しく叩き出し、この電子(２次電子といいます)が大きなエネルギーを持ちます。２次電子は電荷をもつために体を作る分子鎖を次々と破壊し、結果として遺伝子などが損傷を受けることになります。エネルギーが低い(波長が長い)光だと原子から電子を叩き出すということができないのです。

> ところで、「光は光子という球が波打つイメージ」というイメージ図を見たことがあるのですが、光子とは何なのでしょうか？
電子は質量や電荷を持っていて、磁力などに影響を受けやすいことは、イメージとしてつかみやすいのですが、

これは少々難しい(というか、受け入れ難い)ところで、光子に限らずミクロの世界の粒子(電子も)は粒子性と波動性という二面性をもつ存在なのです。簡単に言えば、ビリヤードのように当たってはじき飛んだりもするし、波と波が重なってうねりが大きくなったりもする、と言うことです。

> 光子は質量を持つ物質の一つなのでしょうか？
いえ、光子は一般に「マスレス mass less」と言われる、質量ゼロの粒子です。

> 紋白蝶に、紫外線の波長の違いによってイメージとして色分けなどの出来る機械で見ると、雄と雌では明らかな違いが見えるのでしょうか。
ええ、これは明らかに違いますよ。私はモンシロチョウの専門家ではないですがテレビで見たことがあります。すごかったですよ

お礼

かなり詳しい情報を有り難うございます。
ここまで来ると、何だか圧倒されるばかりです。
「波長が短い→エネルギーが大きい→電子をはじき出す→はじき出す勢いが大きければ、はじかれた電子の持つエネルギーも大きくなる→体（有機体の分子構造）に悪影響を及ぼす」こんな感じなのでしょうか。
バリウムの話は少々難しいながらも、「なぜ飲むの？」という素朴な疑問を解消する、とてもありがたい豆知識です。
有り難うございました。

回答No.4

KIT-SSA

>生物によっては赤外線の一部を感じ取るようなものもいる
>のかもしれないのですね。

蚊や一部の蛇（マムシなど）は赤外線を感知しています。
モンシロチョウは紫外線を見ることができます。
モンシロチョウの雄と雌はヒトの目には同じ模様にみえますがモンシロチョウには
ちゃんと違いが見えるそうです。

お礼

具体的な情報を有り難うございます。
紋白蝶の模様は、紫外線の世界で異なるなんて、なんだか不思議な気がします。
僕らは視覚に頼りすぎているために、目に見えるものが全てであると考えやすいですが、そうではないのですね。
ということは、紋白蝶に、紫外線の波長の違いによってイメージとして色分けなどの出来る機械で見ると、雄と雌では明らかな違いが見えるのでしょうか。
見てみたいものです。

回答No.2

FujisakiKeiko

専門家ではないので、本当にぶっちゃけた話を…。

電磁波のナミナミを往復させるのにはエネルギーが必要ですよね。
ナミナミの上下運動１回分に要するエネルギーが同じだとすると、波長の短い波の方が同じ幅の中にナミナミの往復がたくさん入りますよね。
このことからまず、
・波長の短い波の方がエネルギーが高い
ということが言えます。
電子レンジが素早くゴハンをあたためられるのも、マイクロ波という波長の短い波を使っているからです。

しかし、波長の短い波は非常に反射しやすい性質があり、遠くまで届きません。
小さいチリなどがあったとき、波長の長い波ならまたいで進んでいけるのですが、波長が短いとすぐにぶつかって、好き勝手な方向に進んでいってしまいます。
また、大きいものにぶつかったときも、波長が長ければ波のカーブが緩やかなので、反射や屈折の仕方もおだやかなのですが、波長が短くなると急な角度でぶつかって急な角度で反射してしまい、目的通りに届けることは難しくなります。
つまり
・波長の長い波の方が遠くへ進む。
のです。
同じ可視光線でも、青い光より赤い光の方が遠くへ届きます。
トンネルの中の明かりがオレンジだったり、停止信号が赤なのはこのためです。

あとの説明は専門家の方に…。（＾＾；

お礼

ぶっちゃけた話なので、大変よく分かりました。
ありがとうございます。
「波長が長いとまたいでしまう」この表現は目からうろこです。

回答No.1

BOB-RooK

短い言葉で説明するのは、難しいのですが、お書きになった電磁波だけでも波長の順番で並び変えてみるとその性質の違いが見えてくるかもしれません。
　すなわち、短い波長の電磁波ほど高いエネルギーを持っています。しかし、人体に対する影響は単純に短ければ短いほど危険というものでもないということもありちょっと複雑です。でも、一般的には長い波長ほど直接の影響は少ないと考えても良いでしょうね。
　人間が色を認識出来るのはちょうどその波長（可視光線）だけに感じる組織を持ているからで、他の生命体は全く異なる電磁波を感じている可能性は高いですね。ウェブ上でもいろいろと知識を増やせる場所もあるので、そこを調べてみて、更に深くお知りになりたいのならその関連の物理の書物を当たられては如何でしょうか。

お礼

生物によっては赤外線の一部を感じ取るようなものもいるのかもしれないのですね。
それは驚きです。
短波長は人体の耐え切れないほどのエネルギーをもっているために悪影響を及ぼすのでしょうか。
勉強になりました。
ありがとうございます。