読者です 読者をやめる 読者になる 読者になる

光子の性質のまとめ。電磁波や光と同じ物。ゲージ粒子のボソンであり,質量や大きさゼロ。電子の運動や準位変化で放出,光電効果で消滅

物理学 素粒子論 量子論 わかりやすく解説 電磁気学

物理学の解説コラムの目次へ


物理学の素粒子論で現れる「光子(こうし)」についてのまとめ。


※おことわり: 女性の名前の「みつこ」のことではない。



(1)粒子性を強調すると「光子」,波動性を強調すると「電磁波・光」

光・電磁波・光子は,実際には同じものである。

電磁波を量子化したものが光子(フォトン)。

光子
http://www.infonet.co.jp/apt/march/sy...

  • 光子の実体は、短い(多くの場合数cm〜数mの)切れ端のような電磁波


低温科学・ 講義ノート(高橋先生)
http://www.ltm.kyoto-u.ac.jp/lecturen...

  • 光子とは、電磁波を量子化して得られる粒子である。光子1個あたりのエネルギーは、hν=hc/λであり、運動量は h/λである。ただしλは電磁波の波長、νは振動数、c は光速
  • また、光の電場の方向は光の進行方向と垂直になっていて、これを偏光と呼んでいる


過剰な電磁波
http://www.shiraishi-katsushi.com/e07...

  • 電磁波とは、単純にいうと光子という極めて微細な粒子が波の性質を持って伝わる状態のこと


ゲージ粒子 - おまえなんか、訳してやる!
http://d.hatena.ne.jp/sugio/20070417#b

  • 「電磁気力」のことを「光力」と言ったり、「光子」のことを「電磁気力子」と言ってもいいような気もする


用語の使い分けについて言うと,

  • 光を波としてとらえた時に,電磁波と呼び,
  • 粒子性を強調する時には,光子と呼ぶ

という使い分けがある。

[Q&A] γ線、x線が光子という事ですが、光子がわかりません 【OKWave】
http://okwave.jp/qa/q6650333.html

  • 光子というのは、この光の粒子性を強調して光を表現したい場合に使う言葉


ゲージ粒子
http://gekkou.or.jp/g-8/sience-3.html

  • 光子は、光つまり電磁波である。電磁波は、場の量子論では光子の集合として扱われる
  • 光子も質量がないため、電磁力は無限の距離にまで到達すると考えられる


「光」 は 「電磁波」 の一種〜「電磁波の性質と人間生活との関わり」〜|光と色の話|WEB連載|テクニカルガイド|画像処理用照明|製品紹介|シーシーエス株式会社
http://www.ccs-inc.co.jp/s2_ps/s1/s_0...

  • 電磁波は、「波動性」と「粒子性」をあわせ持っており、波長が長くなるほど、回折現象や干渉現象などの「波動性」が顕著に表れます
    • 放送局から送られてくるラジオやテレビの電波が建物の陰や室内でも受信できるのは、電波の波長が非常に長いため回折という「波動性」特有の現象が起こるから
  • また、波長が短くなるほど、「波動性」は目立たなくなり、電磁波は直進する、すなわち「粒子性」が顕著に表れてくる
    • 「粒子性」とは電磁波を1個、2個と勘定できることを指しますが、その性質としては直線的に進行する(回折現象が起きにくい)ということ
  • この「粒子性」に着目して電磁波を扱う場合、1個1個のエネルギーの“かたまり”を光子(こうし)と呼びます


photon
http://quasar.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/c...

  • 波としての性質を表して電磁波 (electromagnetic wave) と呼ぶ一方, 粒子として振舞う光を光子 (photon) と呼びます.


光子と電子を比較すると,
光子のほうが波動性が現れやすく,
波として扱われることが多くなる。

電子ビームの解説2
http://ha2.seikyou.ne.jp/home/Takehit...

  • 光子は電子よりもはるかに小さくて, 粒子の性質よりも波の性質(波動性)を強く持っています。そうすると、干渉、回折等の効果が現れ
  • 電子は光子よりも質量が大きく、波動性よりも粒子性が遥かに勝っています。 従って、回折や干渉は非常に弱く,電子の集光性は光よりも遥かに勝っています

(2)光子の大きさ・質量・電荷・寿命などの性質

光子には大きさはない。

内部構造を持った素粒子であれば,
クオークの組み合わせとして大きさがあるが,
光子の場合は違い,大きさゼロの点として扱う。

また,光子には電荷も質量もない。
光子は物質ではないのだ。

光子一個とは?
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 光子に大きさはないと想定されています。素粒子の「大きさ」の有無は内部に構造を持っているかどうかです。光子や電子は内部構造を持たないと考えられており,数学的には点です(陽子などは内部にクォークがある,というかクォークでできている)
  • 可視光線範囲のエネルギーを持つ光子が目の網膜に吸収され,視神経に電気信号を送ることが「目に見える」ということ


[Q&A] 光子と電子の違いって? 【OKWave】
http://okwave.jp/qa/q4470414.html

  • 「光子」は電荷(電気力)を持ちません。質量もありません。物質ではない
  • これに対して「電子」はマイナスの電荷を持ち、れっきとした質量を持つ「物質」です。


光子には質量が無いので,動く時の速度は光速度である。

光と物質はどう違うのか
http://homepage2.nifty.com/einstein/c...

  • 光を構成している粒子を、光子と呼ぶ
  • 光子は常に秒速30万キロメートルという速度で動く
  • 一方、電子など他の粒子は、決して、この速度にまで達することができない。この違いは何なのか
  • この違いを証明するために、エネルギーを計算する式を正確に書いてみよう。
    • E = m c^2 / √(1 - v^2 / c^2 )
    • がcに等しくなると、割る数が0になってしまいエネルギーが無限大になるというのが、物体が光速度で動けない理由だった。  しかしvがcに等しくてもエネルギーが無限大にならないケースが一つだけある。それは、質量mが0の場合


光が質量0なのに、何故エネルギーをもっているかが分かりません…。どなたか、出来...
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 光は加速度運動をしません。発生した瞬間から光速です
  • したがって、光には慣性質量を定義することはできません。定義することができない、というのは、ゼロということとは違います。慣性質量がゼロの物体があるならば、その物体はほとんどゼロの力で無限大の加速度で運動することになりますが、これは光の運動とは違います。ですから、光の慣性質量はいくらか、と問われれば、定義不能と回答する以外にありません
  • 一方で、光の質量はゼロ、という言い方がよく使われます
    • この根拠は、光のエネルギー運動量ベクトルの内積がゼロであることにあります。普通の物質であれば、エネルギー運動量ベクトルの内積は(静止質量×光速度)2となるので、これがゼロであれば、静止質量がゼロであろう、というもの
    • とはいっても、これを慣性質量とみなしてはいけません。光の質量がゼロといったときは、エネルギー運動量ベクトルの内積がゼロである


1-5/相対性理論
http://b.high.hokudai.ac.jp/~konno/so...

  • 光は速さを変えることができないので、代わりに振動数が変化
  • 光を止めようとすると、振動数がゼロに近づき、その存在自体が、消えてしまいます。 つまり、光を止めて測った光の質量の値はゼロ


光子は寿命が長く,陽子や電子と並んで寿命が長い。

知られざる宇宙線の話 
http://www.d1.dion.ne.jp/~ueharas/sei...

  • 素粒子には実に多くの種類があるが、寿命が長いものはごく限られている。それは、電子、陽子、光子だけ
  • ニュートリノもそうであるが、これは地球大気や地球とほとんど反応しないのでここでは考えない

(3)光子の素粒子としての分類について

光子は,ゲージ粒子の一種である。

ゲージ粒子は力を伝える働きをする。


光は電磁波と同じものであった。

なので,光子が伝える力は,電磁気力(電磁相互作用)である。

キッズサイエンティスト【素粒子・原子核物理学とは】
http://kids.kek.jp/multi/particle/phy...

  • これまでに発見された素粒子は、200種以上にのぼる。これらの素粒子は、光子(光の粒子)など、自然界の力のもとになっているゲージ粒子と、
  • 物質のもととなるレプトン(電子の仲間)及び大多数の粒子を含むハドロン(陽子、中性子、中間子の仲間)に分類される。
    • やがて、ハドロンは内部構造を持ち、より基本的なクォークと呼ばれる粒子から成り立っていることが明らかになり、物質はレプトンとクォークで構成されると考えられている。


ゲージ粒子というのは、力を伝える粒子です。 自然界には強い力、弱い力、電磁気力... : 【Higgs】ヒッグス粒子によって質量を獲得するしくみ【ヒッグス機構】
http://matome.naver.jp/odai/213977404...

  • ゲージ粒子というのは、力を伝える粒子


ゲージ粒子 - Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B...

  • 相互作用がゲージ理論で記述されている素粒子間において、(仮想粒子として)ゲージ粒子の交換により力が生じる
  • 標準模型においては、電磁相互作用を媒介する光子、弱い相互作用を伝えるウィークボソン、強い相互作用を伝えるグルーオンの3種類
  • また重力相互作用もゲージ理論で記述されていると考えられており、これを伝える重力子がある


ゲージ粒子の下位分類としてボソンがある。

光子はボソン(ボース粒子)である。


ボソンはボース・アインシュタイン統計に従う粒子であり,

  • 「粒子を入れ替えても,波動関数の符号が変化しない」

という性質を持っている。


ボソンには光子のほかに,ウィークボソンがあり,
これは弱い力を伝搬する働きを持つ。

またボソンには,強い力を伝搬するグルーオンもある。

EMANの物理学・量子力学・ボソンとフェルミオン
http://homepage2.nifty.com/eman/quant...

  • 世の中には、粒子を入れ替えた時に、 波動関数の符号が逆転するタイプの粒子と、 符号が変化しないタイプの粒子の 2 種類が存在する。  前者を「フェルミオン(フェルミ粒子)」、 後者を「ボソン(ボース粒子)」と名付けよう
  • ボソンを表す波動関数は「粒子の入れ替えに対して対称」であり、 フェルミオンを表す波動関数は「粒子の入れ替えに対して反対称」である、という表現がよく使われる。


素粒子論の進展 (Commutative Weblog)
http://commutative.world.coocan.jp/bl...

  • 光子の親戚のゲージ粒子として、ウィークボソンがある。ウィークボソンはもともと、質量がゼロのゲージ粒子であったが、前述のヒッグズ機構によって、質量を付与された
  • ウィークボソンは弱い力の担い手であり、弱い力と電磁力を統一したのが、ワインバーグ・サラムの理論なのであった。


意外と素粒子に関係あるメモ 【素粒子入門】
http://www.netlaputa.ne.jp/~hijk/memo...

  • ボソン(ボース粒子):boson ボース統計(ボース=アインシュタイン統計)に従う粒子
  • 素粒子としては素粒子間の相互作用すなわち力を伝播する ゲージ粒子と 粒子に質量を与えるヒッグス粒子がある。
  • フェルミオンと異なり、 ボソンは同じ場所を占める同じ状態の粒子の数に全く制限は無い。 例えば、ボソンの一種である光子は、 多数集まって電磁波となったり、レーザーを構成したりできる



(4)光子が伝搬する力

光子は,電磁気の力を伝搬する。

物質の起源
http://www.s-yamaga.jp/nanimono/uchu/...

  • 力も素粒子の交換を通じて伝わると考えられている。
    • 重力=重力子の交換(まだ観測されていない)、
    • 電磁気力=光子の交換(原子核と電子、あるいは原子同士を結びつける力、身近には静電気や磁石の力)、
    • 弱い力=W粒子とZ粒子(原子核の崩壊(β崩壊)や中性子の崩壊のときの力)、
    • 強い力=グルーオン(クォーク3つからなる陽子や中性子の中でクォーク同士を結びつける役割、また原子核の中で陽子や中性子をくっつけている力、8種類ある)という素粒子がある。
  • さらに物質の「質量」に関係していると考えられているヒッグス粒子がある
    • ヒッグス粒子はヨーロッパのCERN(欧州原子核研究機関)の巨大加速器(LHC)を用いた実験により、2012年7月に確認され、提唱者ピーター・ヒッグス(1929年〜)は2013年ノーベル物理学賞を受賞


ゲージ理論に拠れば、電荷と電荷の間では、光子がやり取りされる事で、電荷と電荷...
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 「素粒子を交換する」「キャッチボールをする」という表現は、 「量子化された場を介して相互作用する」という内容を言い表したものだと思った方が良い
  • 「粒子の交換により力が伝えられる」は、 あくまで話をわかりやすくするための便宜的な表現で、 実際は場が力を伝えていると言った方が正確


キッズサイエンティスト【自然界の4つの力】
http://kids.kek.jp/class/particle/cla...

  • 電磁気力は、光子の交換によって伝わります。
  • 光子は質量を持たないので、遮られなければ電磁気力も遠くまでとどきます。


4章:光のエネルギー
http://homepage3.nifty.com/skomo/f17/...

  • 発光、吸収は量子的ですが、エネルギーの伝播は電磁波となります!!  これが光子と波動が融合した物理モデルの考え方

(5)光子の生成と消滅について

電子のエネルギー順位が下がる時に,光子が放出される。

電子が光を出すのですか?
http://www.geocities.jp/hiroyuki06207...

  • 電子は自身のエネルギーを光子の形で放出することができる
  • 電子は,他の物質や光等からエネルギーをもらうと、不安定になり、余分なエネルギーを光(電磁波、可視光も含む)にして放出し安定な状態に戻ります。即ち電子は光を出す


原子核を「回る」電子は電磁波を出すか - Togetterまとめ
http://togetter.com/li/386018

  • 励起状態なら、下に落ちれば電磁波出すじゃないですか。本質的なのは「落ちる先があるかどうか」だ


「レーザの発振原理」
http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/mizuta...

  • 外部から光などによって、基底状態の電子にE3−E0のエネルギーが与えられたとする
  • すると電子は、第3励起状態に遷移し、ある緩和時間がたつと、よりエネルギーの低い状態に落ちる
  • その時、電子は励起していた準位と遷移した先の準位のエネルギー差に等しいエネルギーの光を放出する
  • この現象による光は、後に述べる誘導放出のように、外部からの光子によらず“自然に(自発的に)”放出することから、自然放出という。


放出スペクトル - Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%B...

  • 物理学において、放出とは、高エネルギーの量子状態にある粒子が光子を放出して低い状態に遷移する過程のことである。


2準位系と光子
http://jaguar.eng.shizuoka.ac.jp/lect...

  • 2準位間の遷移には エネルギー $h\nu=\Delta \varepsilon$をもつ 光子の吸収・放出をともなう.


電子と陽電子が衝突すると,光子2子が生成される。

これは,粒子と「反粒子」の反応である。


「反粒子」とは,電荷が逆であるような素粒子のこと。


電子の汎粒子は陽電子だが,
光子の反粒子は光子そのものである。

鳥居の素粒子物理学入門講座
http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/~tori...

  • 粒子と、それに対応する反粒子が出会うと、たちまちにして共に消滅(annihilation) してしまいます。
  • 例えば、電子と陽電子が反応すれば光 (光子2個) を放出して消えてしまいます。ただし全体のエネルギーは保存されます。すなわち、電子と陽電子という質量エネルギーが、光のエネルギーに転化したということができます。
  • また、これとは逆に「何もない」はずの真空にエネルギーを注ぎ込んでやれば粒子と反粒子の対生成も起こり得ます


なぜ光子の反粒子は光子それ自身なのですか。教えてください。
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 素粒子を記述する相対論的量子場理論の帰結として、全ての素粒子が、それと同じ質量(→正確には、ほとんど同じ質量らしい?)を持ち、電荷のような”符号を持つ(加算的)量子数”が正負反対であるような, 反粒子の相手を持つことが分かっています。 電子のみならず、他の素粒子においても、理論に対して現実が合致しています。


反粒子:一口メモ
http://mh.rgr.jp/memo/mq0249.htm

  • ある素粒子と対になっている反対の電荷を持つ素粒子。 例えば、電子の反粒子は、陽電子であり、陽子の反粒子は反陽子である。
  • 光子や中性パイ中間子は、それ自身が、自身の反粒子
  • 質量は, 粒子と反粒子で全く同じ
  • 粒子と反粒子は、光子やZボソンから素粒子が作られる時、対で作られる
  • また、粒子と反粒子が出会うと、両者は消滅して、光子や中間子になってしまう。


わかる核医学講座
http://www.nirs.go.jp/usr/medical-ima...

  • 陽電子は体内ですぐ止まり直接検出することは難しいが、近くの電子と結合して消滅する際に、電子の静止質量分のエネルギー(511keV)に相当する 極めて短い波長 (2.43pm)の電磁波(光子)を2つ放出する。エネルギーの大きいこの光子は消滅放射線と呼ばれ、互いに反対方向に飛び去る


第2章 RIの基礎知識 
http://www.med.teikyo-u.ac.jp/~ric/ht...

  • 放射線は粒子の種類によってなまえがつけられていて、壊変によって放出された4He核をα(アルファ)線、放出された電子をβ(ベータ)線、原子核由来の光子をγ(ガンマ)線、電子の動きに伴った原子核外由来の光子をΧ線、中性子を中性子線という


光子は,光電効果を起こす。

金属中の電子にぶつかって,電子が飛び出すためのエネルギーを与え,光子自身は消滅してしまうのだ。

この現象を説明するために光量子仮説が作られた。


光電効果でとびでた電子のことを光電子と呼ぶ。

光電効果2 [物理のかぎしっぽ]
http://hooktail.sub.jp/quantum/photoe...

  • 光子1個と電子1個が衝突すると,光子の持っていたエネルギーはすべて電子に渡り,光子はなくなる


光は粒子のように振る舞う
http://james.3zoku.com/kojintekina.co...

  • 光子(粒子)が金属内に飛び込んできて一個の自由電子と衝突を起こす。そうすると光子の持っていたエネルギーは一挙に 電子に与えられ、電子は瞬時に金属の外に飛び出す。
  • このとき光子のエネルギーは、電子が飛び出す のに必要な最小エネルギーと飛び出すスピードに費やされた。したがって、電子が金属外に飛び出してしまうと光子にはもうエネルギー がまったく残っていない。光子は跡形もなく完全消滅してしまう
  • 光子一個のエネルギーはその色(周波数)によって異なる。赤い色の光に対応する光子のエネルギーは小さく、紫色の光に 対応する光子のエネルギーは大きい。
  • もし赤色の光が金属に入り込むと、この光子が電子と衝突しても、電子が外に飛び出す のに必要な最小エネルギーを下回ってしまう可能性がある。もしそうなら光電効果は起きない。
  • 一方、紫色の光に対応する光子のエネルギーは大きいので、電子には外に飛び出させるのに必要なエネルギー以上のエネルギー を与えることになる。余分なエネルギーは、飛び出た電子のスピードに現われる。つまり、余分なエネルギーが大きいほど、大きな スピード


光電子 とは - コトバンク
http://kotobank.jp/word/%E5%85%89%E9%...

  • 光電効果によって、物質から放出されたり自由になったりした電子。


半導体/電子デバイス物理
http://kccn.konan-u.ac.jp/physics/sem...

  • 半導体に光を照射すると, 価電子帯の電子は伝導体に励起される。これは一種の光電効果であり(内部光電効果と呼ばれる)量子力学を理解するために非常に重要な現象である。
  • 入射フォトンのエネルギーがバンドギャップのエネルギー以下であればなにも起こらない。
  • フォトンのエネルギーがバンドギャップのエネルギー以上であればフォトンのエネルギーは電子を価電子帯から禁制帯をこえ伝導帯に励起するために消耗される。すなわちフォトンは半導体に吸収されその代わりに電子を励起する。


また,電子の運動が変化すると,電磁波が放射される。
つまり光子を生みだす。

電波の実体
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 電子の運動変化は、電場の変化・磁場の変化となり、エネルギーを失う場合には光子(電磁波)を放出します。


[Q&A] 電子は物質ですか 【OKWave】
http://okwave.jp/qa/q6088809.html

  • 電子の振動によって生じた電気力線と磁力線の振動が電磁波になります


どうして電子が運動すると電磁波を出すのですか? (1/2) - 物理学 - 教えて!goo
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/8368292.html

  • 加速度運動をしている。ということは、必ず周囲にエネルギーを放出している。


電子が加速運動をすると、なぜ電磁波を放射するのでしょうか? - 物理学 - 教えて!goo
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6217793.html

  • 電子を加速度運動させるということは、電磁場も加速度運動させることになります。
  • 電子とその電磁場が勝手に加速度運動するわけはありませんから、もちろん外力が加わっています。この外力が与えるエネルギーは、もちろん電子と電磁場自体の加速度運動となって現れますが、外力のエネルギーの一部は電磁場の振動により、「媒質」を揺らして波を発生させます。


EMANの物理学・電磁気学・点電荷が発する電磁波
http://homepage2.nifty.com/eman/elect...

  • 電荷は等速運動している時には電磁波を放射しないことが分かった。 加速運動をする時にだけ電磁波を放射する


電磁波とは、「電子をゆり動かす波」 :: 心の声の悩み|yaplog!(ヤプログ!)byGMO
http://yaplog.jp/sibahara/archive/429

  • 電子がゆれ動くと、電磁波が発生する


ほかにも電子と光子の相互作用として,
太陽電池は, 光子を電子に変換している。

ペクセル・テクノロジーズ お知らせ
http://www.peccell.com/news/diary.cgi...

  • 太陽電池では、光のエネルギーが電気エネルギーに変換される、つまり、光子が電子に変換されます。
  • したがって、太陽電池が吸収した光子の数が、太陽電池が発生する最大の電子数となります。



関連する記事:

ヒッグス粒子によって素粒子が質量を獲得するあらすじ
http://study-guide.hatenablog.jp/entry/20131031/p1

物理学の解説コラムの目次へ