じゃあ、光は？
電子は粒子であって波動である。
なんて訳の分からないことになってきたけど
だったら光っていうのはどうなんだろう
そんなことを考えるのが科学者たち。
光は電磁波の一種
実験の結果波の性質を持っているってことがわかっていた。
光は波動性を持つってことだよね。
だけどいつものことながら
科学者たちのたゆまぬ努力のおかげで
光っていうものがただ波としての性質だけじゃなくて
その中には粒子があるんだよ
って考えかたが発表されたもんだから
これまでの考え方じゃ
合理的説明ができなくなってしまった。
なんてえらそうなことを書いてみたけど
光が波動性を持っているけど
粒子性もあるよってことが
どうしてそんなに大変なことなんだろう？
波と粒子の違いって何なのだろう？
波の定義で言えば波って言うのは起こっている現象のこと
って、これもわかりにくいな。
粒子というのはもちろん実体
粒々が実際にあるってことだね。
これはなんとなくわかるような気がする。
もちろん小さすぎて目になんか見えるわけがないけど
極端に言えば一個二個と数えることができるってことだ。
光はある現象なんだけど実体でもある。
このことが変だっていうんだけど
なぜ変なんだろう。
海の波だって水という実態と波という現象
風だって空気という実態と風という現象のような気がするんだけどな。
光の波動性
どうして光は波だって考えられていたのか？
これは簡単
科学者得意の実験の結果によってなんだ。
波動性（たんに波でいいと思うけど）の特徴に
回析と干渉っていうのがある。
回析っていうのは波がなにかに邪魔されたときに
その障害物の裏側に回り込むようにして進むって現象のこと。
川の流れの真ん中に石があったりすると
そこんところに水が渦巻くでしょ
あれと同じこと。
もうひとつの干渉ってのは
波の高低のパターンが重なるときには波は強め合い
パターンが互い違いになるときには弱めあうって現象。
実験の結果光は回折し干渉することが示されたんだ。
（有名な実験だと二重スリット実験なんかかな）
何度も繰り返された実験の結果
光は波のように空間を伝わることがわかったってことだね。
もっともこの実験結果の『干渉模様』っていうのが
光の真の姿を現しているわけじゃないけど
あくまで光っていうのは
波みたいな性質をもっているってことがわかったってことなんだ。
光電効果
では、どうして光は粒子だと考えられるようになったのか？
これも実験の結果なんだよな。
科学者っていう人種は
とにかく試してみないと納得しない人種。
なんでも試してみる。
光起電力効果の研究をしていたベクレルさんが
金属（白金だけど）に光をあてると
電力が発生するという実験結果を発表したあたりから
はじまったんだろうけど
物質に光を当てたときに
電子が放出されたり電流が流れたりする現象を
『光電効果』っていうんだ。
この技術はデジタルカメラや太陽光発電の
動作原理として使われているから
意外と身近な現象だよ。
この光電効果の実験で４つの特徴がわかった。
物に当てられる光の振動数が一定以上に大きくなければ光電効果は観察されない。
光が強いからと言って必ずしも光電効果がおこるとはかぎらない。
飛び出す電子の運動エネルギーは光の振動数にのみ比例する。
飛び出す電子の数は光の強度に比例する。
ってね。
この実験結果と光の粒子性が
なぜ関係するのか
言い換えればこの実験結果が光が波だったら
なぜおかしいことになるのかっていうのが問題。
ここで出てくるのが
「波が単位時間で運ぶエネルギーは振動数と振幅 (強度)の二乗に比例する」
という物理の法則。
むずかしい書き方をしているけど
波は波を強くすればそのエネルギーが大きくなるし
長い時間波を当て続ければ同じくそのエネルギーは
貯蓄されて大きくなるってこと。
光が波だとすると
強い光をあてるとか長い時間光を当てれば
大きなエネルギーを対象に与えることにできるってことになるはず。
だから光の強度や照射時間を変えれば
光電効果を起こせるはずなんだよね。
でも実験の結果は
光電効果の条件は光の振動数のみだったんだ。
もうひとつ光の振動数が一定値に達しなければ
どれだけ強い光を当てても、どれだけ長い時間当てても
光電効果はおきなかったんだよ。
どうも光は波じゃないんじゃないの？
って疑問が出て来たわけだ。
光の粒子性
じゃあどうして光電効果は起こるのか？
まず長い時間光を当ててもエネルギーが貯蓄されないってことは
なにかの瞬間的な力が光電効果を
引き起こしているということが考えられる。
力学の世界では瞬間的に粒子の運動が変化する出来事を
『衝突』って表現するらしいんだけど
これってなにかがぶつかった
って感じがしないかな。
イメージだけど光に実体があるって
想像したくなるよね。
光の振動数に比例するエネルギーや運動量を持った粒子の塊が
光の正体だと仮定すると
この光電効果の実験結果が
うまく説明できるってことがわかったんだ。
この光の粒（光子って呼ばれている）が電子にぶつかると
電子にエネルギーが与えられる
簡単に言えば光子が電子にぶつかって弾き飛ばすって感じだよね。
電子が原子につなぎ留められているクーロン力を
上回るためには光の振動数が一定以上大きくないと
光電効果はおこらない。
（光の振動数に比例したエネルギーを光子が持っていると仮定しているからね）
光の強度と電子の飛び出す数が比例するのは
当然光子の数が光が強いほど
多いって考えれば当たり前の話になるでしょう。
もっともこの光子ってもの
光の波説と同じで
光の粒が観測されたわけじゃないんだよね。
でも光が粒子でできている実態を持っているような
性質があるってことはわかったわけだ。
でも困ったよね
また光まで粒子であり波であるって
どっちつかずの存在になってしまった。
