電磁波が量子論として扱える周波数はどの位から？

質問

光は波である同時に粒子であるといいます。光の波長により粒子としてのエネルギーが異なります。赤外線など光の中でも波長の長いものはそれほど人体に悪影響はないですが可視光を超え紫外線ーＸ線と短くなるにつれ悪影響を及ぼします。この粒子(量子)エネルギーと周波数の関係において量子として扱える周波数はどのくらいからになるのでしょうか。携帯電話の電磁波のような１～２ＧＨｚでも量子エネルギーを放っているのでしょうか？

回答No.2

nzw · ベストアンサー

量子力学的効果から、発ガンなど人体に大きな悪影響を与えることができるエネルギーの境目は、分子結合を切断できる、ないしはイオンやその他ラジカルを生成できるエネルギーとなり、だいたい紫外線ぐらいに相当します。
　光電効果の閾値効果と同様、これよりエネルギーが低い、つまり低周波の電磁波ではいくら大量に照射しても、分子を切断したり、ラジカルを生成したりできなくなります。もちろん、低周波でも大量に照射すると発熱し、タンパク質の熱変性を引き起こすので有害ですが、これは直接的には量子力学的効果ではありません。

　なお、どの波長程度まで粒子と振る舞うかですが、原理的にははっきりとした境目はありません。ただ、長波長ほど光子一つあたりのエネルギーが小さくなり、検出が難しくなります。検出感度の高いシリコン系の単一光子検出器ですと、１マイクロメートル程度がその限界で、雑音が多い化合物系の検出器ですと1.5マイクロメートル程度まではなんとか検出できます。それ以上長波長ですと、かなり検出が難しくなります。
　また、温度を持つ物質から自然に放出される光子、宇宙背景輻射など、長波長の光子は満ちあふれていますので、長波長の光子検出では冷却が重要な課題となり、これも検出を難しくしています。

お礼

明快な回答有難うございます。
光子検出器はどのような原理で検出してるのか興味がわきました
ＬＥＤの発光波長が数百ｎｍで波長を横軸にしたデータがありますから
この場合の測定は光子検出とは異なるように思いました。

回答No.3

nzw

>明快な回答有難うございます。
どういたしまして

>光子検出器はどのような原理で検出してるのか興味がわきました
>ＬＥＤの発光波長が数百ｎｍで波長を横軸にしたデータがありますから
>この場合の測定は光子検出とは異なるように思いました。

　LEDの発光波長測定など通常の光検出の場合は、光電子増倍管を使うか、シリコンないしは化合物半導体からできたフォトダイオードを使います。フォトダイオードの場合、光子一個につき、一個の電子と一個の正孔が発生します。通常の光検出の場合は、この発生した電子・正孔により生じる電流か電圧を直接測定します。しかし光子一個というレベルでは、生じる\電流や電圧が小さすぎて検出することができません。
　光子一個をダイオードで検出する為には、通常、アバランシェフォトダイオード（APD）という特殊なフォトダイオードを、ガイガーモードという特殊なモードで動作させる必要があります。APDは、光子により生成された一個の電子と一個の正孔が、高電圧で加速されることで結晶と衝突を起こし、複数の電子、正孔対（電子雪崩）を発生させます。APDは通常の光検出でも使うのですが、光子検出の場合には、APDを特に不安定な状態にしておきます。光子一個で発生した電子雪崩がこの不安定な状態を壊し、一気に大電流が流れる状態に変化します。大電流を検出したら、電流を止め、また不安定な状態に戻すというサイクルを繰り返すことで光子検出をしています。

お礼

光検出器の説明有難うございます。
ただＬＥＤやフォトダイオードのように発光や光電効果の基礎的知識が浅く
（フェルミ順位とか価電子帯とかが解らない）少し勉強しなければいけないと思いました。光子のような素粒子一個に反応するとは驚きです。
光子が電磁波をつたえる粒子であるならば身の回りは光子で溢れかえっていいるのですね

回答No.1

ORUKA1951

＞可視光を超え紫外線ーＸ線と短くなるにつれ悪影響を及ぼします。
　この理解はおかしいよ。
　波は波長が短いほど（振動数が高いほど）エネルギーが大きいとだけ。
　E=hν
　マイクロ波の2.45 GHzは、水分子の振動と共振するため危険性はピカイチかも。

　量子論ではどんな長波もそれで考えて差し支えない。
プランクのエネルギー量子
　E=hν
ここで、Eはエネルギー、hはプランク定数、ν（ニュー）は振動数。