光の波の性質

光の性質は古代から探求されてきました。 17 世紀、アイザック・ニュートンはレンズとプリズムを使った実験を行い、白色光が虹の各色を組み合わせたものであることを実証しました。 ニュートンは、ニュートンの運動法則に従って、非常に小さな粒子の流れで構成された光の「粒子」像という観点から、この光学的所見を説明しました。  

クリスチャン・ホイヘンスのような 17 世紀の他の人々は、反射や屈折などの光学現象が、すべての空間に浸透していると考えられていた「発光エーテル」という媒体を高速で通過する波として、光を説明できる可能性があることを示していました。 19 世紀初頭、トーマス・ヤングは、狭い間隔を通過した光が干渉縞を生じることを示し、ニュートンの粒子では説明できないが、波であれば容易に説明できることを示しました。 19 世紀後半、ジェームズ・クラーク・マクスウェルが電磁放射理論を開発し、光が広大な電磁波のスペクトル中の可視部分であることを示してから、光に対する粒子の見方は完全に否定されました。  

19 世紀末までは、科学者たちは物理的な宇宙を大まかに 2 つの別々の領域から構成されるものと見ていました。ニュートンの運動法則に従って移動する粒子から構成された物質と、マクスウェルの方程式によって制御される波から構成された電磁波です。 現在では、これらの領域は古典力学と古典的な電気力学（または古典的な電磁気学）と呼ばれています。 この枠組みの中では説明できない物理的な現象がいくつかありましたが、当時の科学者たちは、この枠組みの全体的な健全性に非常に自信を持っていたため、これらの異常現象を「不可解なパラドックス」と捉え、この枠組みの中で最終的には何らかの形で解決される考えていました。 これらのパラドックスは、粒子と波動を基本的なレベルで密接に結びつける「粒子と波動の二重性」と呼ばれる現代の枠組みにつながり、古典的な見方に取って代わることになりました。

可視光をはじめとする電磁放射線は、原子や分子内の電子のエネルギーを推測することができるため、化学の分野で重要な役割を果たしています。 現代のテクノロジーの多くは、電磁放射線に基づいています。 たとえば、携帯電話の電波、歯科医が使用する X 線、電子レンジで食品を調理するために使用されるエネルギー、赤熱物体からの放射熱、テレビ画面からの光は、いずれも波動的な振る舞いをする電磁放射です。

波

波とは、空間内のある地点から別の地点にエネルギーを伝達できる振動または周期的な動きのことです。 波の一般的な例は、私たちの周りにたくさんあります。 ロープの端を振ると、自分の手からロープのもう一方の端にエネルギーが伝わり、池に小石を落とすと水の表面に沿って外に波紋が広がります。また、落雷に伴う空気の膨張により、数マイルにわたって音波（雷）が伝わります。 これらの場合、運動エネルギーは物質（ロープ、水、または空気）を通して伝達されますが、物質は基本的にその場に留まっています。  

波は物質の中を伝わるだけではありません。 マクスウェルが示したように、電磁波は垂直な磁場で段階的に振動する電場で構成されており、どちらも進行方向に対して垂直です。 これらの波は、光の速度（cで示される）である 2.998 × 10⁸ m/s の一定の速さで真空を通過できます。

電磁放射の形態を含むすべての波は、波長（ λ 、ギリシャ文字の小文字のラムダで示される）、周波数（ν、ギリシャ文字の小文字ニューで示される）、および振幅で特徴付けられます。  

波長とは、連続する 2 つの山または谷の間の距離である（ SI 単位系ではメートル単位で測定）。 電磁波の波長は、キロメートル（10³m）からピコメートル（10⁻¹²m）まで、非常に広い範囲で観測されています。 周波数とは、指定した時間（ SI 単位系では秒）内に特定の空間を通過する波の周期の数です。 1周期は完全な1波長に相当します。 周波数の単位はヘルツ（ Hz ）で、 1 秒あたりの周期の数（ s ^{− 1} ）で表されます。 この単位の一般的な倍数はメガヘルツ（ 1 MHz = 1 × 10⁶ Hz ）およびギガヘルツ（ 1 GHz = 1 × 10⁹ Hz ）です。  

振幅は波の変位の大きさに相当し、山と谷の間の高さの半分に相当します。 振幅は波の強さに関連しており、光の場合は輝度、音の場合は大きさを表します。 波の波長（ λ ）とその周波数（ ν ）の積 λ ν は波の速度です。 したがって、真空中の電磁放射の場合、速度は基本定数 cと等しくなります ：

波長と周波数は反比例します。波長が大きくなると周波数が低下します。 電磁スペクトルとは、あらゆるタイプの電磁放射の範囲のことです。  

本書は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 6.1 ： Electromagnetic Energy から引用しています。