電磁波（Electromagnetic Waves）— 周波数・波長・光速・スペクトル

電磁波は、電場と磁場が互いを誘導し合いながら空間を伝わる波だ。変化する電場が磁場を生み（アンペール・マクスウェールの法則）、変化する磁場が電場を生む（ファラデーの法則）という連鎖がループすることで、電磁場の波が真空中を光速 c で伝わる。マクスウェールが 1865 年に理論的に予言し、ヘルツが 1887 年に実験で確認した。光・電波・X 線・マイクロ波はすべて電磁波の異なる周波数帯だ。情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

電磁波の基本要素

電磁波を特徴づける三つの基本量：

1. 周波数 f（frequency）

1 秒間に通過する波の数。単位はヘルツ（Hz = 1/s）。周波数が高いほど「エネルギーが高い」電磁波となる。

2. 波長 λ（wavelength）

波の一周期の長さ。単位はメートル（m）。周波数が高いほど波長は短い。

3. 波速 c（speed）

真空中の電磁波の速度は全周波数で一定。c ≒ 2.998×10⁸ m/s（光速）。

これら三量の関係式：

c = λ · f  （または λ = c/f, f = c/λ）

例: AM ラジオ（1 MHz）の波長は c/f = 3×10⁸/10⁶ = 300 m。Wi-Fi 5 GHz の波長は 3×10⁸/5×10⁹ ≒ 6 cm。可視光（500 THz）の波長は 3×10⁸/5×10¹⁴ ≒ 600 nm。

電磁スペクトル

電磁波は周波数（または波長）によって多数の帯域に分類される。

種別	周波数の目安	波長の目安	主な用途
電波（極超長波〜マイクロ波）	3 Hz〜300 GHz	1 mm〜100,000 km	AM/FM ラジオ・TV・携帯電話・Wi-Fi・レーダー
テラヘルツ波	0.1〜10 THz	30 μm〜3 mm	セキュリティ検査・医療イメージング
赤外線	300 GHz〜430 THz	700 nm〜1 mm	リモコン・暖房・光通信
可視光	430〜750 THz	400〜700 nm	目で見える光
紫外線	750 THz〜30 PHz	10〜400 nm	殺菌・日焼け・蛍光
X 線	30 PHz〜30 EHz	0.01〜10 nm	医療撮影・結晶構造解析
ガンマ線（γ 線）	30 EHz 以上	0.01 nm 未満	放射線治療・核反応

可視光は電磁スペクトルのごく狭い帯域（波長 400〜700 nm）に過ぎない。赤色光が約 700 nm（低周波側）、紫色光が約 400 nm（高周波側）に対応し、虹の 7 色（赤・橙・黄・緑・青・藍・紫）は波長の順序を反映する。

電磁波の性質

伝搬: 電磁波は媒質なしで真空中を伝わる。音波は媒質（空気・固体など）の振動が必要だが、電磁波は電場と磁場が相互に誘導し合うため媒質不要。宇宙空間を伝わる光・太陽からの赤外線がこれを示す。

横波: 電場 E と磁場 B の振動方向は、どちらも電磁波の進行方向に垂直だ。E と B 自体も互いに垂直（E ⊥ B ⊥ 伝播方向）。これが偏光（polarization）の根拠であり、E の振動面が偏光面となる。

反射: 電磁波は界面（空気と金属、空気とガラスなど）で反射する。金属は自由電子が多く電磁波をほぼ完全反射するため、電波を遮蔽する（電磁シールド）。

屈折: 電磁波が別の媒質に入射すると速度が変わり、進行方向が曲がる（スネルの法則: n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂）。レンズ・光ファイバー・大気による光の屈折すべてこれによる。

吸収: 媒質によって特定の周波数の電磁波が吸収される。水分子は 2.45 GHz の電磁波（マイクロ波）を効率よく吸収するため電子レンジに利用される。大気の「オゾン層」は紫外線を吸収し地表への到達を防ぐ。

干渉・回折: 電磁波は波動のため、干渉（coherent waves の強め合い・打ち消し合い）と回折（障害物の陰への回り込み）が起きる。Wi-Fi の多重反射による干渉パターン、光の二重スリット実験などがこれに相当する。

エネルギー輸送

電磁波はエネルギーを運ぶ。電磁波のエネルギーは電場と磁場の両方に蓄えられており、単位面積・単位時間を通過するエネルギー（電力密度）はポインティングベクトル S で表される。

S = (1/μ₀) E × B    （W/m²）

S の向きは電磁波の進行方向（E と B の両方に垂直）に一致する。太陽光は地球軌道で約 1361 W/m²（太陽定数）のエネルギーフラックスを持つ。

量子論的観点：光子

古典電磁気学では電磁波を連続的な波として扱うが、量子論では光子（photon）という粒子（エネルギー量子）として扱う。光子のエネルギーは：

E = hf

h: プランク定数（≒ 6.626×10⁻³⁴ J·s）
f: 光子の周波数

周波数が高い（波長が短い）電磁波ほど光子 1 個あたりのエネルギーが大きい。X 線や γ 線の光子が生物学的組織を損傷できる理由はここにある。光電効果・コンプトン散乱は光子として扱うことで初めて説明できる。

情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

電磁波