光とは何か-2

　しかし、それで話は終わりませんでした。光電効果という不可思議な実験事実が見つかったからです。光電効果とは、当時は、金属に光を当てると、電子が飛び出す現象のことでした。（現在ではこれは外部光電効果と呼ばれ、内部光電効果と区別されています）何が不思議かというと、当てる光がある一定以上の振動数を持たなければ、どれだけ強度（振幅）を大きくしても電子が飛び出してこなかったことです。

「外部光電効果」

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これは困りました。今まで光は電磁波モデルで上手くいっていたのに、電磁波のエネルギーは振幅の二乗に比例するはずなのに、実験事実はそれを否定したのです。（先に言っておくと、光≠電磁波となったのではありません）有名なアインシュタインはこう考えました。「やっぱり光は粒なんじゃない？」話が元に戻ってしまうの？光が粒なら光の回折は？ヤングの実験は？そう言われそうですが、少し待って、アインシュタインの話を聞いてみましょう。彼はこの実験結果から、光量子仮説をたてました。これは、光＝量子（粒子）モデルです。いわく、

光は以下の式で表されるエネルギーを持った量子である（h: プランク定数　v: 振動数　c: 真空中の光速 λ: 光の波長）

 E=hv=hc/λ　

 また、光の持つ運動量は以下で表される

 P=hv/c

（hとはプランク定数のことです。アインシュタインが光量子仮説の着想をプランクの黒体輻射の研究から得たことに起因します。）

式を見てみますと、不思議なことに気づきます。光は粒のはずなのに、周波数や波長を式に含んでいますね。どういうことでしょうか。つまり、アインシュタインがいう光量子仮説は、

振動数vの光はhvのエネルギー、hv/cの運動量を持つ粒子「光子」の集団として振舞う

ということです。我々は光に直接「あなた何者？」と聞くことはできません。物理学のプロセスに則って、その振る舞いを観測してモデル、原理の仮説を立てるしかないのです。光の粒子としての振る舞いは、コンプトン効果という現象にも見出すことが出来ます。

「コンプトン効果」

X線をものに照射したとき、散乱したX線の波長が入射したX線の波長より長くなる現象のことです。コンプトンは、この実験をもって、アインシュタインの光量子仮説を確たるものにしたと言ったそうです。

                                                                            Author: Ito Sho 1123 License: CC by-sa 3.0

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　さて、実験的事実からはひとまず、光は電磁波であるが、ときにはE=hvというエネルギーをもつ粒子（光子）として振舞うこともある、としておきましょう。光とは何か-3に続く。