光子
光子（photon）は、電磁場の量子であり、光やその他の電磁放射を量子論的に記述する基本粒子である。
エネルギー
周波数 ν の光子のエネルギーは E=hν で表される。h はプランク定数である。
E = hν
性質
光子は静止質量0で、真空中では光速で伝わる。電磁相互作用を媒介するゲージ粒子でもある。
波と粒子
干渉や回折では波としての性質を示す一方、光電効果などではエネルギーが量子的に交換される粒子的側面が現れる。
波長と運動量
真空中でE=hν=hc/λ、p=E/c=h/λとなる。静止質量0でもエネルギーと運動量は0ではなく、物体に吸収・反射されると運動量を渡す。光の圧力や光による冷却などは、この運動量交換を利用する。
例：可視光一個のエネルギー
波長500 nmの光子は、h≈6.626×10⁻³⁴ J s、c≈3.00×10⁸ m/sからE≈3.98×10⁻¹⁹ J、約2.48 eVのエネルギーを持つ。同じ波長の光を明るくすると通常は光子の到来数が増え、一個あたりのエネルギーは変わらない。
光電効果と波動性
単純な一光子過程の光電効果では、最大運動エネルギーはKmax=hν−Wで、Wは仕事関数である。しきい周波数以下では、このモデルの範囲で光を強くするだけでは電子を放出できない。一方、一個ずつの光子を送っても、多数の検出を積み重ねると干渉縞が現れ得る。波と粒子は状況ごとに切り替わる小球の性格というより、同じ量子状態の異なる測定の側面である。
確認問題
波長を半分にすると光子のエネルギーと運動量はどうなるか。
解答と考え方を見る
どちらも波長に反比例するため2倍。光子の真空中の速度はcのまま変わらない。
参考資料・次に読む資料
- BIPM: The International System of Units — Defining constants光速・プランク定数・素電荷・アボガドロ定数などのSI定義値。
- OpenStax: University Physics Volume 3光学・相対論・量子物理を体系的に学ぶ教科書。
資料確認日：2026-10-12。