サ イ エ ン ス へ の 招 待電気，電波，光って何だろう？
東京理科大学 創域理工学部 電気電子情報工学科 講師■ 電気って何？

たか ぎ髙木ゆか優香とそのまわりを回っている電子によって成り立っています．原子核は，原子の中心にある重い粒子で，プラ皆さんは「電気って何？」と聞かれたら何を連想す

スの電気をもつ陽子と電気的に中性な中性子が，いくるでしょうか．一般的に電気というと，部屋の蛍光灯つか結合した直径 10－15 m（原子より 5 桁小さい，5 オ

もしくはエアコンやテレビなどの家電製品，さらに動ーダー小さい）程度の大きさをもっています．さらに，力源としてのモータなどを思い浮かべる人が多いでし

皆さんも化学（や物理）の授業で勉強されているとおょうか．これらは電気がもつ様々な働きのうち，それりで，原子核のまわりには陽子と同じ数のマイナスのぞれ特定の性質だけを利用しています．

電気をもった電子がそれぞれの軌道上で回っています．

皆さんの暮らしの中で利用されている電気は，照明電子の軌道はたくさんありますが，原則として電子は，器具として「光」に変換する，冷暖房機器のようにできるだけ内側の軌道に入りたいという性質がありま「熱源」として利用する，モータを使った機器のようす．そして，1 つの軌道に入れる電子の個数は決まっに「動力」として利用する，電波や信号をつくってているので，個数が増えると徐々に外側に向かって軌「情報を伝える」などです．それでは，「そもそも電気道を埋めていきます．これらの軌道は，K, L, M, N…って何？」と聞かれるとどうでしょう．この疑問に正という名前で原子殻と呼ばれています．

確に答えるのは意外にもむずかしく困ってしまいます．
■ 電気の真の姿は物質の構造にある

ところで，これらの原子核と電子は，なぜつりあいが保たれているのでしょうか？

実は，その力のもとが「電気」といえます．さっきの復習ですが，原子核はプラスの電気をもっていて，電子はマイナスの電気

電気の真の姿を理解するための大切なポイント，そをもっています．そして，電気の量でいうと，陽子 1

れは，物質が何から構成されているか，ということで個と電子 1 個は同じ大きさの電気量をもっています．

す．それを知ることが，電気を知る第一歩です．すべ

電気の＋と－は互いに引き合い，＋と＋，－と－は反m（=1Å : 1 オングストロ

発しあうのは，皆さんもよく知っている事実です．こームと読みます）の原子がたくさん集まって出来ていの＋と－が同じ数ずつある場合は，ちょうど打ち消します．原子は物質を構成する基本的な要素で，原子核あって（中和して）全体的につり合っています．ての物質は，直径が約 10－10

ところが，原子が電子を失ってしまうと，陽子の方が多くなって，つまり＋の電気が多くなって，その原子は＋の電気をもつことになります．
逆に原子のまわりの電子が増えると，電子つまり－の電気が多くなって，その原子は－の電気を帯びるようになります．＋または－の電気のことを「電荷」といい，電荷の量はクーロン［C］という単位で表されます．
したがって，電気の真の姿，それは陽子と電子の電荷にあります．しかも，つり合いがとれていると，きれいに打ち消し合ってその姿は見えな

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サイエンスへの招待くなります．それが「電気」というものらしいです．

を移動すること，これが電流です．つまり，電荷が動ちなみに，原子核では陽子（＋）がたくさんくっついくことで電流が生まれます．しかしながら，ただ自由ていますが，＋同士で反発しあわないの？

電子がたくさんいるというだけでは電荷は動きません．

軌道にたくさんの電子が回っているいるらしいけど，これも反つまり，電流もありません．どうすれば，電流が生ま発しないの？

れるのでしょうか？と気になり始めた方は大学で物理を一緒に勉強しましょう（お待ちしております！）．原子核

ここで，＋と－の電荷をもつ 2 つのプール（物質）に働く力は電気だけではありません．もっと強い力もを銅線でつないでみます．そうすると，銅線の中の自働いています．

由電子は－の電荷をもっているわけなので，＋の電荷■ 自由電子，電気を運ぶ担い手に吸い寄せられていきます．その不足分を－の電荷のプールから補充します．これらの一連の動作が途切れることなく続いて発生することで，電流が流れます．

どうやら，原子のもつ電荷が電気のもとになってい電流の大きさは「ある一定時間に流れる電気量」でるらしいです．そして，その電気が姿を現すためには，定義（約束）されています．単位はアンペア [A]．電電子の配置構造が深く関係しています．

流の流れる向きは，自由電子が移動する方向とは反対

具体例として，銅原子（Cu）に着目してみましょう．
Cu は 29 個の電子を持っています．これらの電子はK（2 個），L（8 個），M（18 個）殻… と内側から順番に埋まります．最後の 1 個，29 個目の電子は最も外側の N 殻に入ります．この最も外側の N 殻の電子は，1 つだけなので不安定で，さらに原子核からも離れてです．つまり「プラスからマイナスに流れる」と約束されています【図 1】．
■ 電流と磁気の関係
電子が動くと電流が生まれます．それでは，電流がいるので，原子核が引き付ける力が弱いです．すると，生まれると何が生まれるでしょうか？

熱などの外からの力によって，簡単に引き離され，ふかだか 200 年前…）エルステッドという物理学者が，らふらと原子核から離れて，原子間を自由に動き回る電流が流れている導線の近くに置いた方位磁針が振れ電子となります．このような電子を「自由電子」と呼ることを発見しました【図 2】．これによって，電流んでいます．

1820 年（たが磁気を創り出していることが明らかになったのです．

たとえば，銅線には銅原子同士の結合の中にたくさけっこうシンプルな実験だったわけですが，この発見んの自由電子がいます．これらの自由電子が金属の中がさらなる新しい発見を見出しました．その 1 つが理大

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「アンペールの右ねじの法則」と「ビオ・サバールのパソコン，スマホ，電子レンジなど我々の生活の中で法則」です．アンペールの右ねじの法則は，電流の方多く利用されています．

向を右ねじの進行方向にとると，生じる磁界は右ねじ

電波とは何かを理解するために，1 つ思考実験をしの回転方向に発生するというもの．（右手でイイね！てみましょう．まず，【図 3（a）】のように，導線ををして，思い出してみてください）ビオ・サバールの法つないだコンデンサ（2 枚の金属板を平行に置いたもの）

則（ビオ氏とサバール氏 2 人の名前）は，導線の周辺にに，時間的に一定の電圧（直流）を与えます．すると，発生する磁界の大きさを求めたものです．よって，こコンデンサには，一定の電界ができますが電流は流れれらの法則は，電気と磁気の関係の基礎になっていまません．それでは，【図 3（b）】のように，直流の代わりに時間的に正弦波状に変化する電圧（交流）を与す．

えるとどうなるでしょうか．この場合は，電流が流れ■ 電場と磁場ます．
これは，どのように考えられるでしょうか？ 「導電気と磁気には深い関係があることが分かってきま

線部には電子の移動があるため電流が流れますが，コした．電気と磁気は空間に影響を与えることが出来まンデンサの部分では電子の移動がないはず（導線のよす．例えば，我々がいる空間には，皆さんがご存知のうにつながっていないので）．しかしながら，結果としとおり重力が働いています．空間に重力という力が備て全体に電流が流れるのであれば，コンデンサには電わっています．この空間を「重力場」と表現したりし子の移動ではない何やら異なる電流が生じているのだ

ます．電気や磁気も同じで，電気の力が備わっているろう…」と考えるしかありません．さらに，「導線部空間を「電場」，磁気の力が備わっている空間を「磁分には電流が流れるので，磁気が生じます．でもコン場」と呼びます．「場」というワードは「界」と書い

デンサは導線のようにつながっていないので，磁気はても構いません．よって，「電界」とか「磁界」と書生じない」という謎が残ります．しかし，実際には，いてある教科書や参考書もあるかと思います．

コンデンサには変化する電界が生じていて，そのため，もしこの変動する電界が電流と同様に磁界をつくるな■ 電波って何？

ら「磁界は連続する」ことになるはずです．だいぶ，こんがらがってきましたね…．

電気と磁気は切っても切り離せない仲であり，これ電波の父と呼ばれるマクスウェルは，このように変ら 2 つを上手く使って様々な技術が開発されてきま動する電界（=変位電流とも呼ぶ）によっても，導線をした．モータ，発電機，変圧器などと聞くと電磁誘導

流れる電流と同じように，磁界が生じるという大胆なという現象を思い出す人もいるかもしれません．ここ

仮説を立てました．これは，ビオとサバールによって，では，電波に着目してみましょう．電波は，テレビや電流から作られる磁界を定式化したアンペールの法則を拡張した仮説として，重要な意味をもっています．
なぜなら，この仮説は変動する磁界から電界がつくられるというファラデーの電磁誘導の法則と組み合わせると，何もない空間に変動する電界によって変動する磁界がつくられ，その変動する磁界によって新たに変動する電界がつくられるという連鎖反応が生じること【図 1】電流の向きの約束を示すのです．マクスウェルはこのようにして，変動する電界と磁界に考えを巡らせ て，「電 波（電 磁 波）」の 存在を予言しました．そして，さらには速さも理論的に求めてしまい，皆さんがよく知って い る 3×108 m/s（30 万km/s）で あ る こ と も 示 し ています．
【図 2】エルステッドの実験

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サイエンスへの招待【図 3】マクスウェルの思考実験 （a）直流電流の場合 （b）交流電流の場合

電荷，電流のお話から始まりましたが，ここからは上下の金属球にそれぞれプラスとマイナスの電荷がた「波」の話に突入していきます．ここで，波の性質をまっていき，下向きの電気力線が増えていきます．そ思い出しておきましょう．自然界には，たくさんの波して，ピークを迎えた後，金属球の電荷が少なくなるがありますが，大きくは縦波と横波に分けられます．と，電気力線も減っていきます．次に，金属球には，波の方向と垂直に振動しながら進むものが横波です．

当初とは逆の電荷がたまっていき，上向きの電気力線

たとえば，紐を振ったときにできる波です．もう一つが出てきます．この電気力線は，先の電気力線の後には，波の方向と同じ向きに振動しながら進むのが縦波

続いて広がっていき，以後，同じことが繰り返されまです．音波がその代表例です．
「音は縦波，疎密波」

す．また，金属球の間には，等価的な電流が存在すると勉強されているとおりです．そして，電波はというので，磁力線は円形に形成され，その向きを電気力線と，横波です．1 回振動したときの距離を波長，1 秒と同じように変えながら広がっていきます．このよう間に振動する回数を周波数（振動数）と呼び，周波数に，複雑に変化する電磁波も，発生源から離れると，は速さ / 波長で表すことが出来ます．

先程示したような電界と磁界の直交した単純な形に表

ここで，もう一度，マクスウェルの仮説の話に戻しすことができます．

ます．マクスウェルの予言した電波の存在を実験によ

ところで，皆さんは電磁波や電波というと何を思いって確認したのはヘルツです．しかし，現在と比べる浮かべるでしょうか．ここでは，電磁波を効率よく放と 19 世紀は実験技術が未熟であったと考えられます

射，もしくは吸収する素子，アンテナについて考えてし，速度が速い電界と磁界からつくられる電波をどうみましょう．ヘルツの用いた 2 つの金属球もアンテ

やって調べていたのか気になるところです…．

ナですが，代表的なものは半波長ダイポールアンテナ

それでは，ヘルツの行った実験を再現してみましょう．まず，【図 4（a）】に示すように，2 枚の金属板のです．
先端を開放した 1/4 波長の平行導線に交流を与え代わりに，2 個の金属球（ヘルツダイポール）でできた

ると，導線上の電流分布は開放端がゼロの定在波にな

火花発生装置と，同じ金属球をもつループ状の導線火ります．しかし，導電の電流の向きが上下逆なので，花検出器を準備します．このとき，金属球の間に火花放射される電磁波は弱くなります．そこで，放射をよを飛ばすと，離れた検出器にも火花が飛びます．しかくするために，平行導線を広げて直線状にしたものがし，これを電波が空間を伝わった証拠と言い切るには，【図 5】．このアンテナは，ダイポールアンテナです4）

ちょっと説得力が足りませんね．そこで，先ほど波の導線に対して垂直方向に強く電磁波を放射します．そ性質で述べた，紐の振動の考え方を取り入れてみます．

して，導体板（あるいは導体棒）を置くと，それと反対たとえば，紐の一端を固定して，もう一つの端を振っ方向にさらに強くなります．てみます．すると，紐は波打って固定された端のほう

それでは，アンテナの長さよりも短い導体板（もしに伝わります．これを進行波と呼び，これに対して固くは導体棒）を置くとどうなるでしょうか．この場合，定された紐をうまく振動させると進行しない波，定在短い導体板の方向に強く放射され，この原理を用いた波と呼ばれるものができます．これは進行波と，固定アンテナが，八木・宇田アンテナと呼ばれるものです

された端からの反射波が重なってできる波で，同じと【図 6】．テレビ放送の受信のために世界中で使われてころで振動します．つまり，【図 4（b）】のように，これらの状態をつくって実験を行えば，火花の変化によって電波の存在を説明できることになります．

いる，日本人の誇れる発明の 1 つです．
ところで，先ほどから話題のヘルツですが，ここで，「電磁波」と「電波」という言葉を区別し電波の速さが光と同じておきましょう．電磁波は，すべての波長に使われまであるというだけでなすが，電波は通信に使われる波長（0.1 mm 以上）にく，反射など光と同じ対する呼び方です．

性質を示すことも検証

ところで，先ほどお話しに出てきたヘルツという人し，マクスウェルが提物，優れた実験で電磁波の存在を明らかにしましたが，唱した光の電磁波説の優れた理論家でもあり，ヘルツダイポールからの電磁正しさを明らかにしま波発生のメカニズムも明らかにしています．

した．電磁波と光の研金属球の間に正弦波状に変化する交流を与えると，究は，歴史的には別々 【図 4】（a）ヘルツの実験（b）改良後のヘルツの実験

理大

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2024（6）33また，光線が平らな面に当たると反射します．入射角と反射角が等しくなり，これを「反 射 の 法 則」と 呼 び ま す【図 7（a）】．さ ら に，光 は 異なる媒質に入射すると屈折します．光線が空気中から水中【図 5】半波長ダイポールアンテナ【図 6】八木・宇田アンテナの原理に入射したときなどが身近にあ る 例 の 1 つ で す．入 射 角と 反 射 角 に は「ス ネ ル の 法 則」（屈 折 の 法 則，【図 7（b）】）が成り立っています．光の直進，反射，屈折の3 つの原理によって，光線の軌跡を追いかけることができます．多くの光学機器（レンズなど）は光線追跡を有力なツールとして設計・開発されています．
■ 粒子としての光【図 7】（a）反射の法則 （b）屈折の法則

電磁波も光線も実は，光を波として見たときの性質に進められてきたのですが，19 世紀末ごろにようやです．光のほとんどの振る舞いは波としての性質によ

く 1 つにまとまりました．って説明できます．しかしながら，光を粒子として扱■ 光って何？
私たちの身の回りには様々な光であふれています．
光のおかげで物を見ることが出来，様々な色を感じるわないと説明できない分野もあるのです．
溶鉱炉の中の赤く溶けた鉄を想像しましょう．物体
は高温になると光を発します．発光するスペクトル分
布【図 8】は，温度によって異なりますが物質の種類は関係ありません．このスペクトル分布を理論的に導ことが出来ます．眼鏡を使えば，ぼんやりしか見えな出するために多くの人が研究を進め，「黒体輻射の問いものをくっきりと見ることが出来ます．照明器具は題」と名付けられています．その中で大きな成果を出もちろんのこと，カメラなどの光学機器も日々使いましたのが，ウィーンです．ウィーンは，気体の運動論す．光ファイバーのように，目にする機会は少なくてを元に理論式を導きました．「輻射強度が最大となるも陰で情報化社会を支えている技術もあります．つま波長が温度に反比例する」というウィーンの法則です．

り，私たちの生活と光は切っても切り離せません．

しかし，この理論では，波長と強度の関係については光には 3 つの姿が考えられます．「波として」の性短波長側では実験と一致しましたが，長波長側では一質は先ほどまでに述べた電磁波です．あとの 2 つは致しませんでした．これに続いて，レーリー・ジーン「光線として」，それから「粒子として」です．それでズは光を電磁波ととらえて，すべての波長にわたっては，「光線として」見たときの光から考えてみましょ等しいエネルギーをもつとして理論式を導きました．

う．

この式では，長波長側は正しく説明できましたが，短■ 光線としての光：光は直進する波長側の説明がうまくいきませんでした．当時，光を波として見ることが当たり前の時代に，それでは上手く説明できない問題に突き当たったのです．この問題

光は一様な媒質の中を直進します．真空は物質といを解決したのが，プランク定数でおなじみのプランクう観点でみると媒質と言えない気がするかもしれませという人です．プランクは振動数 ν の光のエネルギんが，光学的には「屈折率が 1」の媒質となります．

ーは，振動数 ν に比例した値の整数倍しかとらない

光は均一な空気の中，均一な水の中，均一なガラスのという仮説を提唱しました．ここで出てくる比例定数

中を直進します．昼間，太陽光の下で影が見えるのは，がプランク定数 h です．この仮説に基づいて黒体輻

光が直進しているからです．

射の問題が解け，すべての波長域にわたって実験と一34

サイエンスへの招待

致する結果を得ることができました．光のエネルギーません．X 線も粒子（光子）であると考え，衝突の問が整数倍のとびとびの値しかとらないという特徴が，題（力学で見かけるような）として，エネルギー保存則，光が粒子として見られる理由です．

運動量保存則を適用して，コンプトンの実験結果を定さらに，有名なアインシュタインも登場します．ア

量的に説明することができました．光子が原子内の電インシュタインというと，相対性理論を思い出す人が子と衝突したために，光子のエネルギーの一部が失わ多いでしょうか．アインシュタインは「光量子仮説」

れ，振動数が小さくなるのです．と「光電効果理論」も提唱しました．
「光量子仮説」

皆さんも「素粒子」というワードは一度は聞いたこ

は振動数が ν の光は hν を単位とするエネルギーのかとがあるのではないでしょうか．光子も素粒子の 1

たまりごとに金属の中の電子に衝突しエネルギーを受つです．電子とはちがって，質量や電荷をもたない粒け渡すというものです．さらに「光電効果理論」では，子です．しかし，運動量と運動エネルギーはもってい電子は光からもらったエネルギー hν が金属物質で決ます．太陽から大量に降り注ぐ光子をうまく利用しよまる一定のエネルギー W（仕事関数）より大きい場合うという技術が太陽電池です．太陽電池は地球上だけのみ外部に放出されます．W は金属から外に飛び出ではなく，宇宙でも使われています．ソーラーセイル

すための障壁の高さと考えると良さそうです．外に飛（宇宙帆船）IKAROS など検索してみてください．

び出した電子の運動エネルギーの最大値は光からもら

しかしながら，以上の学問分野では説明できないったエネルギー hν から飛び出すために費やされるエ

様々な光学現象も見つかっています．電磁気学の集大

ネ ル ギ ー W を 引 い た も の（=hν－W）と な り ま す成と言われているマクスウェル方程式だけでは太刀打【図 9】．このように，光のことを hν のエネルギーをち出来ず量子効果を取り入れなければならない領域がもらった粒子と考え，光量子（光子）と名付けました．

出てきました．このような分野は量子光学と呼びます．

光子と電子の間の衝突によってエネルギーの受け渡し

当初は新しい物理学の領域でしたが，現在は通信や情が行われるという仮説によって，当時実験で得られて報処理のエンジニアリング，特に量子コンピュータやいた結果（レーナルトの実験）を見事に説明したわけで量子暗号の実用化のため研究が進められています．

す．また，物質の仕事関数という考えを導入すること新たな研究や技術開発を担うのはこれからの皆さんによって，光のエネルギーがある値（仕事関数）よりです．皆さんは，ご自身もまだ発掘できていない多くも小さいときには電子が飛び出さなくなる現象も説明の可能性と魅力を必ずもっています．大学は仲間や教しました．

員と一緒に勉強や研究などを通してトレーニングをす

アインシュタインが光量子仮説を提唱した後も，光を本当に粒子として考えられるの？

ちょっと上手く想像できないんですけど… という疑いは絶えません

る場所です．皆さんが社会に出た後に大いに活躍できるよう力いっぱいサポートしつつ心より応援しています！

でした．そんなとき，コンプトンが散乱実験によって，光量子仮説を裏付けしました【図 10】．物質に X 線を当てると X 線は散乱して方向を変えます．散乱前後の X 線のエネルギーを調べてみると，前後で振動数が減少していることがわかりました．この現象を「コンプトン効果」といいます．X 線も光と同じく電磁波なのですが，X 線を波として考えると，この現象

参考文献

1）R. J. Stephenson, Am. J. Phys. 35, 140（1967）.
2）R. A. Millikan, Phys. Rev.（I）32, 349（1911）.
3）下村 武（2001）「電子物性の基礎とその応用」コロナ社
4）遠藤 雅守（2014）「電磁波の物理」森北出版株式会社
5）X.Yang, et al. Sci. Rep. 6, 37214（2016）.

を説明することができ【図 8】物体の発光スペクトル 5)【図 9】光電効果と仕事関数 W【図 10】コンプトンの散乱実験
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