電磁波の種類と波長｜電波から X 線までの性質の違い

ラジオの電波、電子レンジの中の波、テレビのリモコンが出す赤外線、目に見える光、病院のレントゲン。これらはすべて同じ電磁波です^[1]。

違うのは波長だけ。真空中を進む速さは、どれも $3.0 \times 1 0^{8} m/s$ で変わりません^[3]。

$c = f λ$

速さが同じなので、波長が決まれば振動数も決まります。長さの目盛りを $1 0^{3} m$ から $1 0^{- 12} m$ まで動かすだけで、呼び名が次々に変わっていく。

電場と磁場が振動して伝わる

電磁波は、電場と磁場がたがいに相手を生みながら進む波です^[3]。振動する向きは進行方向と直角なので、横波にあたる。

音とちがって媒質は要りません。真空でも進むので、太陽の光が宇宙を越えて届く。

電場と磁場の振動する向きは、たがいに直角です。この 2 つと進行方向で、直角が 3 つそろう。

波長で呼び名が変わる

境目はきっちり決まっているわけではありません。作り方や使い道で呼び分けているので、隣どうしは重なります^[4]。

X 線とガンマ線は波長域がほとんど同じです。電子をぶつけて出したものを X 線、原子核から出たものをガンマ線と呼び分ける^[1]。

電波

いちばん波長が長い仲間です。 $1 mm$ 以下から $1 km$ を超えるものまで^[4]。

アンテナに交流を流すと出ます^[1]。振幅を変えて情報を乗せるのが AM、振動数を変えるのが FM。

呼び名	波長	使いみち
長波・中波	$100 m$ 以上	AM ラジオ
短波	$10$ 〜 $100 m$	遠距離通信
超短波	$1$ 〜 $10 m$	FM ラジオ
マイクロ波	$1 mm$ 〜 $1 m$	電子レンジ、携帯

例：ラジオの波長を出す

AM 放送の $1000 kHz$ を波長に直します。

$λ = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{1.0 \times 1 0 ^{6}} = 300 m$

FM 放送の $80 MHz$ なら次のとおり。

$λ = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{8.0 \times 1 0 ^{7}} = 3.75 m$

$80$ 倍も違います。この差が、届き方の違いをそのまま作る。

波長が長いと回り込む

回折は、波長と障害物の大きさが同じくらいのときに目立ちます。 $300 m$ の波は、ビルや山を回り込んで裏側へ届く。

AM が山かげでも入るのに、FM が建物の裏で切れるのはこのためです。テレビの電波も同じ性質を持つ。

波長が短くなるほど、電磁波は光に似た振る舞いをします。まっすぐ進み、遮られると影ができる。

マイクロ波

$300 MHz$ から $300 GHz$ 、波長でいえば $1 mm$ から $1 m$ の範囲です^[4]。

電子レンジは $2.45 GHz$ を使います^[1]。水の分子を揺さぶって温める仕掛け。

例：電子レンジの定常波

$2.45 GHz$ を波長に直します。

$λ = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{2.45 \times 1 0 ^{9}} = 0.122 m$

庫内で反射した波が重なると定常波ができます。腹の間隔は半波長なので $6.1 cm$ ^[1]。

腹と節が固定されると、温まる場所に偏りが出ます。ターンテーブルで食品を回すのは、この偏りをならすため。

チョコレートを庫内に敷いて回転を止め、溶けた場所の間隔を測ると、そこから光速が出せます。 $6.1 cm$ の 2 倍に $2.45 GHz$ を掛ければよい。

赤外線

波長 $780 nm$ から $1 mm$ ほど^[4]。分子の振動や回転から出るので、熱を持つものはみな出しています^[1]。

太陽から届くエネルギーの半分ほどが、この帯にあります^[1]。暖房器具の輻射熱も、サーモグラフィが捉えるのも赤外線。

テレビのリモコンは $940 nm$ あたりを使います。可視光のすぐ外側なので、まっすぐ飛ぶ。

可視光

$380 nm$ から $780 nm$ の狭い帯だけが目に見えます^[4]。長いほうが赤、短いほうが紫。

全体を対数の目盛りで見ると、この帯は針の先ほどの幅しかありません。人が見ているのは、電磁波のごく一部だけ。

例：緑の光の振動数

$550 nm$ の光を振動数に直します。

$f = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{5.5 \times 1 0 ^{- 7}} = 5.5 \times 1 0^{14} Hz$

$1$ 秒間に $550$ 兆回。電波の $kHz$ や $MHz$ とは、桁がまるで違います。

紫外線

$1 nm$ から $400 nm$ ほど^[4]。日焼けを起こし、殺菌にも使われる帯です。

地表に届くのは波長の長い側だけ。短い側はオゾン層が吸収します^[1]。

$320$ から $400 nm$ が UV-A、 $290$ から $320 nm$ が UV-B。それより短い UV-C は、ほぼ地表に届きません^[1]。

X 線とガンマ線

X 線は $10 pm$ から $1 nm$ ほど、ガンマ線は $10 pm$ より短い帯です^[4]。

原子 1 個の大きさが $0.1 nm$ ほどなので、原子と同じか、それより小さい波長。だから物質のすきまを抜けていきます。

エネルギーが大きく、原子から電子をはじき出す力を持ちます^[2]。これを電離といい、細胞を傷つける原因になる。

波長が短いほど強い

波長が長い側

回り込みやすく、遠くまで届く。物を透かさず、体にも影響が小さい

波長が短い側

まっすぐ進み、物を透かす。電離を起こし、当たりすぎると害になる

同じ電磁波でも、端と端では扱いがまるで変わります。ラジオの電波を浴びても平気なのに、X 線は鉛の板で遮る。

違うのは波長だけ。それだけで、これだけの差が出ます。

例：電子レンジで光速を測る

回転を止めた庫内にチョコレートを敷き、溶けた場所の間隔を測ります。 $6.1 cm$ 出たとする。

これが半波長なので、波長は $12.2 cm$ 。庫内に書いてある $2.45 GHz$ を掛けます。

$c = 2.45 \times 1 0^{9} \times 0.122 = 2.99 \times 1 0^{8} m/s$

台所の道具だけで、 $3$ 桁めまで合いました。定常波の腹の間隔が半波長だという 1 点だけを使っている。

例：X 線の振動数を出す

波長 $0.10 nm$ の X 線を考えます。

$f = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{1.0 \times 1 0 ^{- 10}} = 3.0 \times 1 0^{18} Hz$

緑の光の $5000$ 倍以上です。原子 1 個の大きさと同じ波長なので、結晶の並びを調べるのにも使われる。

帯ごとの代表値

帯	代表的な波長	振動数
中波	$300 m$	$1.0 MHz$
マイクロ波	$12 cm$	$2.45 GHz$
赤外線	$940 nm$	$3.2 \times 1 0^{14}$
可視光	$550 nm$	$5.5 \times 1 0^{14}$
X 線	$0.10 nm$	$3.0 \times 1 0^{18}$

$10$ 億倍以上にわたって、 $c = f λ$ という 1 本の式だけが通っています。

大気が通す帯と遮る帯

地表に届く帯は限られています。ガンマ線と X 線、短い紫外線は大気に吸収されて届かない^[4]。

可視光と電波は通り抜けます^[2]。この通り道を大気の窓といい、望遠鏡はこの 2 つの窓を使う。

X 線で宇宙を見たければ、望遠鏡を大気の外へ出すしかありません。人工衛星に載せる理由がここにある。

身のまわりの数値でも、同じ式が通るかを確かめます。

携帯電話が $800 MHz$ の電波を使っているとき、その波長はいくらですか。

$2.7 m$
$0.375 m$
$37.5 m$

__RESULT__

$λ = \frac{3.0 \times 1 0 ^{8}}{8.0 \times 1 0 ^{8}} = 0.375 m$ です。アンテナの長さがこの波長の何分の 1 かで決まるので、携帯の本体に収まる大きさになります。

帯の順番も確かめます。

次のうち、波長がいちばん短いのはどれですか。

電子レンジのマイクロ波
リモコンの赤外線
日焼けを起こす紫外線

__RESULT__

紫外線は $400 nm$ より短く、赤外線は $780 nm$ より長い帯です。マイクロ波はさらに長く、 $1 mm$ 以上あります。波長の短い順に、紫外線、赤外線、マイクロ波となります。

よくある誤り

帯によって速さが違うと考える。真空中ではどれも

3.0 \times 1 0^{8} m/s

です。

波長が長いほどエネルギーが大きいと思う。逆で、短いほうが大きくなります。

境目がきっちり決まっていると考える。隣どうしは重なっており、呼び分けは作り方や使い道によります。

X 線とガンマ線を波長で区別しようとする。どこから出たかで呼び分けます。

電波は縦波だと考える。電場と磁場が進行方向と直角に振動する横波です。

可視光が電磁波の大部分を占めると思う。対数の目盛りで見れば、ごく狭い帯にすぎません。

同じ 1 本の物差しの上に、ラジオもレントゲンも並んでいる。目盛りが $1 0^{15}$ ぶんも離れているだけで、正体はどれも電場と磁場の振動です。

参考

The Electromagnetic Spectrum. University Physics Volume 2, OpenStax.

Introduction to the Electromagnetic Spectrum. NASA Science.

Anatomy of an Electromagnetic Wave. NASA Science.

*Einteilung des elektromagnetischen Spektrums*. Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

ラジオの電波も、電子レンジの中の波も、リモコンの赤外線も、レントゲンも、正体は同じ電場と磁場の振動です。真空中の速さはどれも $3.0 \times 10^8$ m/s なので、$c = f\lambda$ が波長と振動数を結びつける。AM の 1000 kHz は 300 m、FM の 80 MHz は 3.75 m。この差が、山かげに届くかどうかを決めています。電子レンジの 2.45 GHz は波長 12.2 cm で、庫内の腹の間隔は 6.1 cm。溶けたチョコレートの間隔から光速が 3 桁めまで出せる。可視光は 380 から 780 nm のごく狭い帯にすぎません。波長が短い側ほど物を透かし、電離を起こす。地表まで届くのは、可視光と電波の 2 つの窓だけです。