物理基礎光と電磁波わかりやすく

光は電場と磁場が互いに垂直に振動しながら伝わる電磁波です。媒質がなくても真空中を約 3×10⁸ m/s で進み、波長によってガンマ線からラジオ波まで呼び名が変わります。目に見える可視光は電磁波スペクトルのごく一部にすぎません。波長を変えると、スペクトルのどこにどんな名前が付くかが見えます。

光は電磁波!

💡 光の本質

①光は電場と磁場が互いに垂直に振動しながら伝わる波

②媒質なしでも伝播 — 宇宙空間も通る(真空でc = 3×10⁸ m/s)

③波長によりガンマ線からラジオ波まで呼び名が変わる

④可視光は電磁波の一部に過ぎない!

電磁波スペクトル

波長 λ550 nm

🌈 可視光の範囲

①可視光:380nm(紫) ~ 780nm(赤)

②紫光(λ短) → エネルギー高 / 赤光(λ長) → エネルギー低

③紫外線:皮膚を焼く理由 = エネルギーが可視光より高い

④赤外線:リモコン·熱画像カメラに使用

まとめ

電磁波の種類別特徴

ガンマ線

核反応で放出、医療用殺菌

λ < 0.01 nm

X線

骨撮影、強い透過力

0.01 ~ 10 nm

紫外線

殺菌、皮膚やけど、ビタミンD合成

10 ~ 380 nm

可視光

人間の眼で感知できる唯一の領域

380 ~ 780 nm

赤外線

熱エネルギー、リモコン、熱画像

780 nm ~ 0.1 mm

マイクロ波

電子レンジ、通信

0.1 mm ~ 10 cm

ラジオ波

TV、ラジオ、携帯通信

> 10 cm

光子のエネルギー E = hf

光子のエネルギー

E = hf = hcλ

h = 6.63×10⁻³⁴ J·s, c = 3×10⁸ m/s

✨ 光の二重性

①光は波(干渉·回折)であり同時に粒子(光電効果)

②光電効果:光を金属に当てると電子が飛び出す

③振動数が閾値以下なら強くても電子放出なし

④これは光がhfのエネルギー塊(光子)として働くため

⑤アインシュタインが光電効果を説明しノーベル賞(1921)

例題で確認

例題 1

真空中で振動数 5×10¹⁴ Hz の光の波長は？（c = 3×10⁸ m/s）

c = fλ から λ = c/f。

λ = cf

c = 3×10⁸, f = 5×10¹⁴ を代入する。

λ = 3×10⁸5×10¹⁴ = 6×10^-7 m

▸ 6×10⁻⁷ m（600 nm）

真空中ではすべての光の速さが c で一定。λ = c/f で波長を求める。600 nm はオレンジ光の領域。

例題 2

光 A（紫外線）と B（赤外線）のうち、光子のエネルギーが大きいのはどちらで、その理由は？

光子エネルギー E = hf なので、振動数が大きいほどエネルギーが大きい。

E = hf

紫外線は赤外線より波長が短く、振動数が大きい（c = fλ）。

λ_UV < λ_IR ⇒ f_UV > f_IR ⇒ E_UV > E_IR

▸ A（紫外線）のエネルギーが大きい

波長が短いほど振動数と光子エネルギーが大きい。紫外線・X線が危険な理由。

総まとめ

速度

c = fλ

3×10⁸ m/s

エネルギー

E = hf

光子エネルギー

共通テスト類題

次の電磁波を波長の長いものから短い順に正しく並べたものは？

①電波 > 赤外線 > 可視光線 > X線

②X線 > 可視光線 > 赤外線 > 電波

③可視光線 > 赤外線 > 電波 > X線

④赤外線 > 電波 > X線 > 可視光線

⑤電波 > 可視光線 > 赤外線 > X線

▸ ① 電波 > 赤外線 > 可視光線 > X線

電磁波スペクトルは波長の長い順に：電波 > マイクロ波 > 赤外線 > 可視光線 > 紫外線 > X線 > ガンマ線。

電波（長い λ）→ ガンマ線（短い λ）

与えられた 4 つをこの順に並べると ① が正しい。

電波 > 赤外線 > 可視光線 > X線

🎯 試験ポイント

①全ての電磁波は真空でc = 3×10⁸ m/s

②波長短いほど f↑、E↑(ガンマ線が最も危険)

③可視光:380nm(紫) ~ 780nm(赤)

④光の二重性:干渉·回折→波 / 光電効果→粒子

⑤光電効果:光子 E = hf、放出電子の最大運動エネルギー Ek = hf − W(仕事関数)

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