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高校1~高校2年生 (15-17歳)

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広がっていく電磁波です。 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電波まで名前が変わります。 私たちの目に見える可視光線は電磁波のスペクトルのごく狭い一部で、波長が短いほど光子 1 個のエネルギー E = hf が大きくなります。 波長のスライダーを動かすとスペクトル上の印が移り、領域の名前と振動数・光子のエネルギーが変わり、下の図では波の細かさとエネルギーの棒が一緒に変わります。

光は電磁波である

💡 光の正体
①光は、電場と磁場が互いに垂直に振動しながら広がっていく波である
②媒質がなくても伝わるので宇宙空間も通り、真空中の速さは c = 3 × 10⁸ m/s である
③波長によって、ガンマ線から電波まで名前が変わる
④私たちの目に見える可視光線は、電磁波のごく狭い一部である

電磁波のスペクトル

550 nm
🌈 可視光線の範囲
①可視光線は 380 nm（紫）から 780 nm（赤）までである
②紫の光は波長が短く光子のエネルギーが大きく、赤い光は波長が長くエネルギーが小さい
③紫外線は可視光線よりエネルギーが大きいので、肌を焼く
④赤外線はリモコンやサーモグラフィーに使われる
⑤スペクトルは対数目盛りなので、同じ長さが同じ倍率を表す

まとめ

電磁波の種類別特徴
ガンマ線
原子核の反応で出て、医療器具の殺菌に使われる
λ < 0.01 nm
X線
物質をよく通り抜け、骨の撮影に使われる
0.01 ~ 10 nm
紫外線
殺菌、日焼け、ビタミン D の合成
10 ~ 380 nm
可視光
人の目が感じ取れる唯一の領域
380 ~ 780 nm
赤外線
熱を伝え、リモコンやサーモグラフィーに使われる
780 nm ~ 0.1 mm
マイクロ波
電子レンジと通信
0.1 mm ~ 10 cm
ラジオ波
テレビ・ラジオ放送と携帯電話の通信
> 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光は干渉や回折を示す波であると同時に、光電効果を起こす粒子でもある
②光電効果とは、金属に光を当てると電子が飛び出す現象である
③振動数が限界振動数より小さいと、どれほど強い光を当てても電子は出てこない
④光が hf のエネルギーのかたまり、つまり光子としてはたらくからである
⑤アインシュタインは光電効果を説明した功績で 1921 年のノーベル物理学賞を受けた

例題

例題 1
真空中で振動数 5 × 10¹⁴ Hz の光の波長は？ ただし c = 3 × 10⁸ m/s とする。
1
c = fλ から λ = c/f である。
λ = cf
2
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）
真空中の光の速さは c で一定なので、λ = c/f で波長が求まる。600 nm はオレンジ色の光である。
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？
1
光子のエネルギーは E = hf なので、振動数が大きいほど大きい。
E = hf
2
c = fλ より、波長の短い紫外線のほうが赤外線より振動数が大きい。
λUV < λIR ⇒ fUV > fIR ⇒ EUV > EIR
▸ A（紫外線）のエネルギーのほうが大きい
波長が短いほど振動数と光子のエネルギーは大きくなる。紫外線や X 線が体に害をおよぼす理由である。

まとめ

速さ
c = fλ
真空中で 3 × 10⁸ m/s
エネルギー
E = hf
光子 1 個のエネルギー
韓国修能 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
1
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 である。
電波（長い λ）→ ガンマ線（短い λ）
2
与えられた 4 つをこの順に並べると ① になる。
電波 > 赤外線 > 可視光線 > X線
🎯 試験のポイント
①すべての電磁波は真空中で同じ速さ c = 3 × 10⁸ m/s で進む
②波長が短いほど振動数と光子のエネルギーが大きく、ガンマ線が最も大きい
③可視光線は 380 nm（紫）から 780 nm（赤）までである
④干渉と回折は波動性の、光電効果は粒子性の証拠である
⑤光電子の最大運動エネルギーは Ek = hf − W で、W は金属の仕事関数である
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