電磁波
よみ方
でんじは
英 語
electromagnetic wave
説 明
光や電波のように、電場と磁場の振動が互を誘導し合って空間を伝わる波。荷電粒子が力を受けて 加速度運動する場合や、原子中の電子のエネルギー状態が変化する際に発生する(スペクトルを参照)。電磁波は空間内で電場と磁場そのものが振動する現象で、媒質がなくとも空間を伝わり、エネルギーを運ぶ。電磁波は横波で、電場と磁場の振動方向は互いに直交しており、波はその両者に直交する方向に進む(図1参照)。真空中で電磁波の伝わる速さ(光速度 )はどのような系から見ても一定である。これは光速度不変の原理と呼ばれる。電磁波の波長
と 振動数
の間には
の関係がある。
電磁波は、波長によって性質が変わり、また物質との相互作用の仕方が変わるので、波長帯毎に異なった名前で呼ばれることが多い。波長の短い方から順に、ガンマ線、X線、紫外線、可視光(可視光線)、赤外線、電波と呼ばれるが、それぞれの中でさらに細分して呼ばれることもある(図2)。ただし、境界波長(エネルギー)はそれほど厳密に決まっているわけではない。図2は理科年表2017年版によるものである。とくに、X線とガンマ線の区別は波長によるものではなく、原子核の状態の遷移によって発生するものをガンマ線、電子の状態の遷移によって発生するものをX線と呼ぶ。
電磁波は、波動としての性質(波動性)と粒子としての性質(粒子性)を併せ持つ(ド・ブローイ波長参照)。波長が長いほど波動性が、短いほど粒子性が顕著になる。 粒子としての電磁波を光子と呼ぶ。電磁波の振動数 と光子1個が運ぶエネルギー
の間には
という関係がある。ここで
はプランク定数である。すなわち、振動数の高い(波長の短い)電磁波ほど光子のエネルギーが高い。電磁波を特徴付ける場合、ガンマ線やX線など波長の短い電磁波は、波長ではなくエネルギーで、また波長の長い電波は、波長ではなく振動数で表すことが多い。中間の可視光や赤外線は波長を用いることが多い。 電磁波の名称と性質を表1にまとめた。
宇宙にはさまざまな天体があり、広範囲のエネルギーが関与するさまざまな活動をしているので、宇宙からはすべての波長の電磁波が地球に届く。そのうち、可視光線と赤外線の一部、および電波は地表まで届くが(大気の窓を参照:図3)、それ以外の電磁波は地球大気に吸収されて地表には届かない。ただし、波長数10 mより長い電波は、吸収されるのではなく電離圏 (電離層とも言う)で反射されるために地表に届かない。それらを観測するためには、人工衛星などの飛翔体を用いて大気外から観測する必要がある。一つの天体をさまざまな電磁波で見ると、電磁波を発生するメカニズムの違いによって、さまざまに違った姿が見える(図4、図5を参照)。宇宙で 起こる現象を理解するには、すべての波長の電磁波による観測が重要である。
2019年10月03日更新