光子 光子の概要

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光子

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/11/24 01:26 UTC 版)

光子
レーザーからのコヒーレントビームで放出される光子
組成	素粒子
グループ	ゲージ粒子
相互作用	電磁力
理論化	アルベルト・アインシュタイン
記号	γ, hν または ħω
質量	0 <1×10−18 eV/c2[1]
平均寿命	Stable[1]
電荷	0 <1×10−35 e[1]
スピン	1
パリティ	−1[1]
Cパリティ	−1[1]
凝縮対称性	I(JPC)=0,1(1−−)[1]
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概要

古代から、光の本性については「光の波動説」と「光の粒子説」の2つが存在し、長い間にわたって対立していた。19世紀末ごろに電磁場に対するマックスウェルの理論がハインリヒ・ヘルツによって検証され、光の波動説は確立された。しかし、光の波動性は黒体放射のエネルギー分布を説明することができなかった。そのため、マックス・プランクは物質のエネルギー吸収・放出の性質としてエネルギー量子の概念を発表した。

ドイツの物理学者のアルベルト・アインシュタインは、光の波動説を支持しつつ、新しい光の粒子説（光量子仮説）を主張した^[2]。

アメリカの物理化学者ギルバート・ニュートン・ルイスは古典的な光の粒子説を採用した上で、アインシュタインと同種の領域で内容的に異なる具体的な研究成果を上記研究に1年遅れて発表した。

それぞれ微妙に異なる光の本性に関する研究が平行していたが、第一次世界大戦を経た1920年代に入ると、アーサー・コンプトンによるコンプトン効果の研究に端を発して、1926年から1927年頃にかけて、それら二つの系統は光子（photon）という名称で一応の統一がなされた^{[注 3][注 4]}。

量子論では光子は「ボース粒子」と呼ばれる分類の量子である。

物理的性質

マイケルソン・モーリーの実験によれば、真空中の光速は c である。電磁波の放射圧は、単位時間単位面積当たりの光子の運動量の転移に由来する^[3]。

光子は常に真空中の光の速度と同じ速度で動く。

光線中の振動数 ν の光子に対して、以下のようにエネルギー ε と運動量 p を定義することができる。これは、外部光電効果とコンプトン効果の実験結果により確認されている。

${\displaystyle \epsilon =h\nu \;\;,\;\;p={\frac {h\nu }{c}}}$

1805年に行われたトーマス・ヤングの二重スリット実験は、光は波として振る舞うことを示し、初期の光の粒子説を打破した。

古代・中世を通して光は哲学者や自然を研究する学者にとって関心の的であった。光の本性についての研究は、大きく「光の波動説」と「光の粒子説」の二つが存在しておりそれぞれ歴史的に対立をしていた。

詳細は「光」を参照

ニュートン力学を完成させたアイザック・ニュートンなどは粒子説に基づくモデルを提案していたことから、18世紀までは光の粒子説が優勢に立っていた。ところが、19世紀初頭、トーマス・ヤングとオーギュスタン・ジャン・フレネルが光の干渉と回折を明確に示したことから、19世紀中頃には光の波動説が優勢に立つこととなった^[18]。さらに、1865年には、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは光は電磁波の一種であると予測し、それを1888年にハインリヒ・ヘルツが実験的に確かめたことから、光の本性としての光の波動説は確定されたかのようにみなされた。

1900年、光を電磁波の振動と考えるマクスウェルの光のモデルの理論は完成したように見えた。しかし、波のモデルでは説明できないいくつかの現象が観測され、光エネルギーを量子化することによる説明に繋がった。レーザー実験は、これらの光量子が運動量も運び、粒子としても考えられることを示した。これにより「光子」という概念が生まれ、電磁場自体の理解に繋がった。

ところが、19世紀末ごろになると、黒体輻射のエネルギー分布式を理論的に求めるにあたって、光の波動説を代表するマックスウェル方程式などでは説明しきれないことが問題となり始めた。

1900年、マックス・プランクは黒体輻射のエネルギー分布式の問題点^[19]を解決するにあたって、物質が放出または吸収するエネルギーは連続量とするのではなく振動数 ν に比例した有限の大きさ E =hν をもつ塊と考えるとうまく実験結果と合うと発表し^[20][21]、この最小エネルギー単位をエネルギー要素（energy element）と呼んだ^[20]。これはあくまで光の波動説に立ったもので、あくまで物質的な制約だと考えられた。

1905年、アルベルト・アインシュタインは、電磁波が広がる際のエネルギー配分は空間的に連続的に行われないと主張し^{[注 6]}、そのエネルギー量子の大きさはその振動数に比例すると仮定すると^{[注 7]}、（外部）光電効果^{[注 8]}などをうまく説明することができることを示した^[22][23]。アインシュタインはこれを光量子（light quantum）と呼び^{[注 9]}、さらにプランクが導入した仮説を光量子仮説と名付けた^[24]。

${\displaystyle \epsilon =h\nu }$ （h : プランク定数、 ν : 光の振動数、 ε : 振動数 ν の光の中の光量子のエネルギー）

1908年、アメリカの物理化学者のギルバート・ニュートン・ルイスは、アインシュタインの1905年に発表した特殊相対性理論の論文を参照してはいるものの特殊相対性原理を無視して、代わりに光量子仮説とも異なる完全な光の粒子説（光の粒子が光速で運動するとき、エネルギー、質量そして運動量をもつ）を前提とし、物体の質量はその速度に依存するという公理を持つ非ニュートン力学の体系を発表した（ルイスの非ニュートン力学）^[25][26]。この体系によれば、静止質量(rest mass)と呼ばれる質量概念を定義した上で、光の粒子はもし光速よりもわずかに遅くなったとするとその質量は０になると結論した^{[注 10]}。

${\displaystyle m_{rest}=0}$ （m_rest : 光の粒子の静止質量）

1909年、アインシュタインは光の波動説の前提であるエーテル概念を放棄の上、光の波動説と光の粒子説を融合させることが必要であると主張した^[27]。

1916年、アインシュタインは輻射による吸収や放出の際には運動量の付与も起こると述べ^[28]、光量子仮説に実質的な変更が加えられた（光量子仮説はエネルギーに関するもので、1909年の論文でわずかに触れてはいたものの^[27]、運動量については何も述べていなかった）。

1918年頃から現在コンプトン効果と呼ばれる現象に、古典的な理論で説明を与えることに取り組んでいたアーサー・コンプトンは、1922年に至って古典的理論ではこの現象は説明できないと結論し、光量子仮説とルイスらの理論を組み合わせるようにX線はエネルギー hν、運動量 hν/c をもつ粒子とみなした上で、「光の粒子と自由電子が弾性衝突する」というモデルでコンプトン効果を説明し、このときのアインシュタインの光量子仮説の正当性を立証する形で1923年春に最終的な報告を提出した^{[注 11][29][30]}。この影響を受けるような形で、1922年11月に、光電効果の法則の発見によって、変則的に一年遡って1921年分のノーベル物理学賞がアインシュタインに与えられることが決定した^[31][32]。

${\displaystyle p={\frac {\epsilon }{c}}={\frac {h\nu }{c}}}$ （ν : 光の振動数、 p : 振動数 ν の光の中の光量子の運動量）

1926年、もともと光の粒子は運動量を持つということを主張していたギルバート・ルイスは、ギリシア語で「光」を意味するφῶςを由来にこの光の粒子をphoton（フォトン、光子）と名付けた^{[33][注 12]}。翌1927年10月には、コンプトンの提案^[34]で開催された第５回ソルベー会議では主題が"Electrons et photons (電子と光子)"と、早速 "photon" の用語が取り入れられることとなった^{[注 13]}。同年1927年にはアーサー・コンプトンがコンプトン効果の研究でノーベル物理学賞を受賞すると、多くの科学者が光の量子化の正当性を受け入れ、光量子を表すルイスのphotonという用語を受け入れた。

量子論では、光子はボース粒子であり、標準模型ではさらにゲージ粒子に分類されている。電荷、質量、スピン角運動量等の光子に固有の性質はゲージ理論から決定される。光子の概念は、レーザー、ボーズ・アインシュタイン凝縮、量子場理論、量子力学の確率振幅等、実験物理学及び理論物理学に重大な進歩をもたらし、光化学、2光子励起顕微鏡、蛍光共鳴エネルギー移動等といった応用がある。また、光コンピューティングや、量子コンピュータの提案のうちのいくつかは光子を利用する。

湯川秀樹は、この電磁気力の媒介粒子としての光子のモデルを根拠に、原子の安定性をもたらす原子核を構成する力（核力）の媒介粒子として中間子と呼ばれる粒子が存在する、という理論を1935年（昭和10年）に提出した（中間子論）^{[35][注 14]}。これは現代の素粒子論の契機となった。

その他全ての素粒子と同様に、現在のところ光子は量子力学で最も良く説明され、粒子と波動の二重性を示す。例えば、一つの光子はレンズで屈折し、また自身と干渉するが、位置が明確に測定できる等、粒子としての振舞い^[36]も見せる。