電磁放射（光）の粒子と波動の二重性を理解することは、光の性質だけでなく、量子論やその他の現象を理解するための基本です。 前世紀の最大の科学的発展の1つは、非常に小さな物体が日常の物体と同じ規則に従わなかったという発見でした。
電磁波とは？
簡単に言えば、電磁波は単に光として知られていますが、光という用語は可視光を指定するために使用されることもあります （目で検出できるもの）、および他の時間は、より一般的にすべての形態の電磁を指すために使用されます 放射線。
電磁波を完全に理解するには、磁場の概念と電気と磁気の関係を理解することが重要です。 これについては次のセクションで詳しく説明しますが、本質的には電磁波（光波）です。 磁場に垂直な（直角の）平面で振動する電界波で構成されています 波。
電磁波が波として機能する場合、特定の電磁波には周波数と波長が関連付けられます。 周波数は、1 Hz = 1 / sの場合にヘルツ（Hz）で測定される1秒あたりの振動数です。 波長は波頭間の距離です。 周波数と波長の積が波の速度を与えます。これは真空中の光の場合、約3×10です。8 MS。
ほとんどの波（たとえば音波など）とは異なり、電磁波は通過する媒体を必要としません。 伝播するため、空の空間の真空を通過できます。これは、光速で実行されます。これは、 宇宙！
フィールドと電磁気学
フィールドは、ベクトルの目に見えない配列と考えることができます。空間内の各ポイントに1つずつあり、そのポイントに配置された場合にオブジェクトが感じる力の相対的な大きさと方向を示します。 たとえば、地球の表面近くの重力場は、地球の中心を直接指す空間内の各ポイントでのベクトルで構成されます。 同じ高度では、これらのベクトルはすべて同じ大きさになります。
質量が特定の点に配置された場合、それが感じる重力は、その質量とそこにある場の値に依存します。 電場と磁場は同じように機能しますが、質量ではなく、それぞれオブジェクトの電荷と磁気モーメントに依存する力を適用します。
重力場が質量から直接生じるのと同じように、電場は電荷の存在から直接生じます。 ただし、磁気の発生源は、電荷の移動（または同等に電界の変化）にあります。
1860年代に、物理学者のジェームズクラークマクスウェルは、電気と磁気の関係を完全に説明する4つの方程式のセットを開発しました。 これらの方程式は基本的に、電荷によって電界がどのように生成されるか、基本的な磁気単極子がどのように存在しないか、どのように 変化する磁場は電場を生成することができ、電流または変化する電場がどのように磁場を生成することができるか 田畑。
これらの方程式の導出の直後に、自己伝播電磁波を記述する解が見つかりました。 この波は光速で動くと予測されていましたが、実際には軽いことがわかりました。
電磁スペクトル
電磁波は、与えられた波の波長と周波数の積が等しい限り、多くの異なる波長と周波数で来ることができますc、光速。 電磁放射の形態には、次のものが含まれます（長波長/低エネルギーから短波長/高エネルギーまで）。
- 電波（0.187 m〜600 m）
- マイクロ波（1 mm-187 mm）
- 赤外線（750 nm-1 mm）
- 可視光（400 nm-750 nm; これらの波長は人間の目で検出可能であり、多くの場合、可視スペクトルに細分されます）
- 紫外線（10 nm-400 nm）
- X線（10-12 m-10 nm）
- ガンマ線（<10-12 m）
光子とは何ですか？
光子は、量子化された光粒子または電磁放射の名前です。 アルバートアインシュタインは、20世紀初頭の論文で光量子（光子）の概念を紹介しました。
光子は質量がなく、数の保存則に準拠していません（つまり、光子は作成および破壊される可能性があります）。 しかし、彼らは省エネに従います。
実際、光子は力のキャリアである粒子のクラスにあると考えられています。 光子は電磁力のメディエーターであり、ある場所から別の場所に移動できるエネルギーのパケットとして機能します。
電磁波と粒子は根本的に異なる2つの構造のように見えるため、突然電磁波を粒子として話すのはかなり奇妙だと思われるかもしれません。 確かに、非常に小さい物理学を非常に奇妙なものにしているのは、まさにこの種のことです。 次のいくつかのセクションでは、量子化と粒子と波動の二重性の概念について詳しく説明します。
電磁波や光子はどのように生成されますか？
電磁波は、電界と磁界の振動から発生します。 電荷がワイヤに沿って前後に移動すると、変化する電界が生成され、それによって変化する磁場が生成され、それが自己伝播します。
電子雲の形で移動電荷を含む原子と分子は、興味深い方法で電磁放射と相互作用することができます。 原子では、電子は非常に特定の量子化されたエネルギー状態でのみ存在することが許可されています。
電子がより低いエネルギー状態になりたい場合は、電磁放射の個別のパケットを放出してエネルギーを運ぶことによってそうすることができます。 逆に、別のエネルギー状態にジャンプするには、その同じ電子が非常に特定の個別のエネルギーパケットも吸収する必要があります。
電磁波に関連するエネルギーは、電磁波の周波数に依存します。 そのため、原子は、関連する量子化されたエネルギーレベルと一致する非常に特定の周波数の電磁放射のみを吸収および放出できます。 これらのエネルギーパケットは呼ばれますフォトン.
量子化とは何ですか？
量子化離散値と連続スペクトルに制限されているものを指します。 原子が単一の光子を吸収または放出する場合、それらは量子力学によって記述された非常に特定の量子化されたエネルギー値でのみそうします。 この「単一光子」は、実際には離散波束「パケット」と考えることができます。
エネルギーの量は、基本単位の倍数でのみ放出できます（プランク定数h). エネルギーを関連付ける方程式E光子とその周波数の関係は次のとおりです。
E = h \ nu
どこν（ギリシャ文字のnu）は、光子の周波数とプランク定数です。h = 6.62607015 × 10-34 Js。
波動粒子の二重性
あなたは人々が言葉を使うのを聞くでしょう光子そして電磁放射それらは異なるもののように見えますが、交換可能です。 光子について話すとき、人々は通常、この現象の粒子特性について話します、 一方、電磁波や放射について話しているときは、波のように話している プロパティ。
光子または電磁放射は、いわゆる粒子と波動の二重性を示します。 特定の状況および特定の実験では、光子は粒子のような振る舞いを示します。 この一例は、表面に当たる光線が電子の放出を引き起こす光電効果です。 この効果の詳細は、光が放出されるために電子が吸収しなければならない個別のパケットとして扱われる場合にのみ理解できます。
他の状況や実験では、それらは波のように振る舞います。 この典型的な例は、シングルスリットまたはマルチスリットの実験で観察された干渉パターンです。 これらの実験では、光は、複数の同相のように機能する、狭くて間隔の狭いスリットを通過します。 光源、そしてその結果、それはあなたがで見るものと一致する干渉パターンを生成します 波。
さらに奇妙なことに、この二重性を示すのは光子だけではありません。 確かに、すべての基本的な粒子は、電子や陽子でさえ、このように振る舞うようです。 粒子が大きいほど、その波長は短くなり、この二重性は少なくなります。 だから日常生活でこんなことに気づかないのです。