光の波動性と粒子性の決定的な違いは、光の波動性が光を電磁波で表現できることを示しているのに対し、光の粒子性は光が光子という粒子で構成されていることを示している点である。

波動粒子二重性とは、量子力学における概念である。すべての粒子や量子的な実体は、波としてだけでなく、粒子としても振る舞うというものだ。古典的な「波」と「粒子」の概念では、量子スケールでの物体の振る舞いを十分に説明できないため、そのためには波動・粒子二重性理論が非常に重要なのである。

カタログ

1.概要と主な違い 2.光のゆらぎ特性とは 3.光の粒子特性とは 4.横並び比較-光の波動特性と粒子特性を表形式で示す 5.まとめ

光の波動性は何ですか？

波とは、空間を伝わるエネルギーの周期的な振動のことです。光の揺らぎは、光が電磁波であることを示しています。人間には、この揺らぎが見えるのです。光のゆらぎを利用した例としては、まず回折実験と干渉実験がある。

光は、白熱と発光、この2つの方法のどちらかで作られます。白熱は高温の物質が発する光、ルミネセンスは励起された電子が基底エネルギー準位に落ちるときに発する光である。

図01：電磁波の模式図

他の電磁波と同様に、光は真空を通過することができます。しかも、空間的にも時間的にも規則的に繰り返される「周期性」がある。他の波と同様に、光にも波長（2つの波の間の距離）、周波数（単位時間あたりに現れる波の数）、速度（約3×108m/s）がある。

光の粒子性は何ですか？

粒子は物質の一部である。1700年、アイザック・ニュートン卿は、プリズムを使って太陽光をさまざまな色に分けたとき、できた影のエッジが非常にくっきりしていたことから、光が粒子のビームであることを指摘したのである。

図02：プリズムを通過する光の分散の概念的なアニメーション

フォトンは光の素粒子であり、量子である。光子のエネルギーは、エネルギーをE、hをプランク定数、vを光速とすると、E=hvの式で計算できる。ここで、光の強度を上げるとは、単位時間あたりにある領域を通過する光子の数を増やすということである。さらに、光子は質量を持たないが、安定した粒子である。この相互作用の中で、光子はそのエネルギーを別の粒子に移すことができる。

ウェーブと光の粒子性の違い

波動粒子二重性とは、光は波と粒子の両方の性質を持つとする理論である。光の波動性と粒子性の決定的な違いは、光の波動性は光が電磁波として振る舞うことができると説明し、光の粒子性は光が光子という粒子で構成されていると説明することである。

さらに、この2つの光の性質に最初に気づいた科学者フランチェスコ・マリア・グリマルディとアイザック・ニュートン卿によると、フランチェスコ・マリア・グリマルディは光の回折を観察して、光には波の振る舞いがあると述べ、アイザック・ニュートン卿は、プリズムで太陽光を色分けすると、できる影の縁が非常にはっきりすることに気づき、これによりは、光の粒子性について述べている。

概要 - ウェーブ vs. 光の粒子性

現代の素粒子論も光波理論も、粒子の二重性を持っています。光の波動性と粒子性の大きな違いは、光が電磁波として表現されることを光の波動性、光が光子という粒子で構成されることを光の粒子性と表現していることである。

引用

1 "光のゆらぎ "化学スクリプト、スクリプト、2019年6月1日、こちらでご覧いただけます。