電磁波のスペクトル
電子レンジは2.45 GHzで動作し、波長は約12 cmです。赤色レーザー光の波長は633 nmで、その約190,000分の1です。
光も電磁波の一種
1860年代、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、変動する電場と磁場が波として広がるはずだと考え、その速さを計算しました。結果は光速の測定値と一致し、光は目で捉えられる波長の電磁波だと結論しました。この理論は、他の波長の存在も認めていました。OpenStaxによると、ハインリヒ・ヘルツは1887年から火花を生じる回路を使い、実験室で電磁波を発生・検出しました。干渉模様から波長を測り、光速で伝わることも示しました。用途が見つかる前に、電波は実験ノートの中で発見されていたのです。
すべての電磁波は、真空中を同じ速さc = 299 792 458 m/sで進みます。NISTがこの値を厳密な値としているのは、1983年以降、メートルがこの値に基づいて定義されているためです。電磁波では波の式がc = fλとなります。OpenStaxが強調する帰結は、振動数が高いほど波長が短いということです。波長の長い電波から非常に短いガンマ線まで、波長順に並べたものを電磁波のスペクトルと呼びます。
電波からガンマ線まで
電波は最も波長が長く、約一メートルから数キロメートルに及びます。OpenStaxは放送用の帯域として、AMラジオの540〜1600 kHzとFMラジオの88〜108 MHzを挙げています。AMの波長は数百メートルで丘や建物を回り込み、FMの波長は約3 mです。次はマイクロ波で、波長は約一ミリメートルから数十センチメートルです。携帯電話や衛星の通信に使われ、電子レンジでは食品中の水に吸収される2.45 GHzの波を使います。赤外線は温かい物体から放射され、サーモグラフィーで捉えられます。
可視光の帯域は狭く、NASAは紫から赤まで約380〜700ナノメートル、OpenStaxは400〜750 nmとしています。境界は人によって異なります。紫外線は400 nmから約10 nmまでです。OpenStaxは太陽の紫外線をUV-A（320〜400 nm）、UV-B（290〜320 nm）、UV-C（220〜290 nm）に分けています。大気上層のオゾンがUV-Bの大半とUV-Cのすべてを吸収するため、地表に届く太陽の紫外線は約99%がUV-Aです。X線はさらに短く、0.01 nm未満にまで及び、高速の電子が標的に衝突すると発生します。ガンマ線は原子核の崩壊から生じます。
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三つの目安
OpenStaxは、例外もあると断ったうえで、スペクトルの特徴を三つの目安にまとめています。振動数が高いほど光子一個のエネルギーは大きくなりますが、透過の程度は物質と波長によって異なります。X線は軟組織を通過できますが、皮膚に吸収された紫外線は皮膚を傷つけることがあります。また、高振動数の波ほど毎秒多くの情報を運べるため、光ファイバーは銅線よりはるかに多くのデータを伝えられます。さらに、調べるために使う波長が短いほど細部を見分けられるため、X線回折で結晶中の原子配列を調べられます。もう一つ、大気が可視光や多くの電波など一部の帯域を通し、他を遮ることも重要です。NASAが説明するように、X線やガンマ線の望遠鏡は宇宙で観測する必要があります。
| 帯域 | おおよその波長 | 用途 |
|---|---|---|
| 電波 | 1 m超 | 放送、MRI |
| マイクロ波 | 1 mm〜1 m | 電話、レーダー、電子レンジ |
| 赤外線 | 750 nm〜1 mm | 熱画像、加熱 |
| 可視光 | 約400〜750 nm | 視覚、光合成 |
| 紫外線 | 10〜400 nm | 殺菌、皮膚でのビタミンD生成 |
| X線 | 0.01〜10 nm | 医療画像、保安検査 |
| ガンマ線 | 0.01 nm未満 | 核医学 |
- 100 MHzのFM電波の波長はいくつですか？c = 3.00 × 10⁸ m/sを使ってください。
- 電子レンジは2.45 GHzを使います。波長をセンチメートル単位で小数第1位まで求めてください。c = 3.00 × 10⁸ m/sとします。
- 緑色光の波長は500 nmです。振動数を10¹⁴ Hz単位で求めてください。c = 3.00 × 10⁸ m/sを使います。
- 振動数が最も高いのはどれですか？
- ガンマ線
- 可視光
- マイクロ波
- 電波
- 真空中で、X線の速さは電波の速さと比べてどうですか？
- 同じ
- はるかに速い
- はるかに遅い
- 振動数による
- 1887年から実験室で初めて電磁波を発生・検出したのは誰ですか？
- ハインリヒ・ヘルツ
- ジェームズ・クラーク・マクスウェル
- トマス・ヤング
- アイザック・ニュートン
- 地表に届く太陽の紫外線の約99%はどれですか？
- UV-A
- UV-B
- UV-C
- ガンマ線
- 光ファイバーが無線通信より多くのデータを運べることを説明する目安はどれですか？
- 振動数が高いほど毎秒多くの情報を運べる
- 波長が長いほど細部を見分けられる
- 振動数が低いほど透過しやすい
- 光は電波より遅い
- X線望遠鏡で宇宙から観測する必要があるのはなぜですか？
- 大気がX線を吸収するから
- X線は遅すぎるから
- X線は宇宙にしか存在しないから
- 地上に望遠鏡を作れないから
- FM帯の上限は108 MHzです。FM電波の最短波長を小数第2位まで求めてください。c = 3.00 × 10⁸ m/sを使います。
- 光は電磁波です（マクスウェル）。ヘルツは1887年から電波を発生させました。
- 真空中では、どの電磁波もc = 299 792 458 m/sで進み、c = fλが成り立ちます。
- 波長の長い順：電波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、X線、ガンマ線。
- 振動数が高いほど光子一個のエネルギーは大きくなりますが、透過の程度は物質と波長によって異なります。高い振動数は、より多くの情報を運び、より細かな部分を明らかにするために利用できます。
このコースの出典 (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
確認日: 2026-10-17