学習目標
- 波動がどのように発生し、その測定できる性質について論じること。 ヤングの二重スリット実験
キーポイント
- 波動はある種の周期的な妨害が弾性媒体を通して伝播するときに発生する。
- 波動には、振幅、波長、周波数の3つの測定可能な特性がある。決定的な実験はヤングの二重スリットの実験で、スクリーンの2つのスリットに当てた光が、粒子ではなく光の波の特徴である干渉パターンを示すことを実証した。
- 波に関する位相も、ある現象を説明する上で重要です。
- 波の速度は、波長と周波数の積です。
用語
- 振幅いずれかの方向に達した変数の最大値です。
- 波動2つの反対方向の最大値の間で交互に変化する形状。
- 周波数1秒あたりの振動数。
- 波長1周期で波が進む距離（1/周波数）
このセクションでは、光の波状特性について取り上げることにします。 波動／粒子の二重性（光が波動と粒子の両方として同時に振る舞うこと）については後で学習しますが、ここでは光の波動性とこの振る舞いの実験的効果について説明します。
波動への入門
波動は、何らかの周期的な妨害が媒質を介して伝播したときに生じます。 空気中の圧力変化、ギターの弦の横運動、あるいは電磁波を構成する空間の局所的な電場や磁場の強さの変化などは、すべて波動の典型的な例である。
波動には、振幅、波長、周波数（1秒間に振動する回数）の3つの測定可能な性質がある。 波の波長λ（ギリシャ語のラムダ）と周波数ν（ギリシャ語のヌー）の関係は、伝搬速度vによって決まり、
v=nu \
光の場合、この式は
nu = \frac{c}{THERUMA}
ここでcは光の速度、2.998 x 108 m/s である。
これらの式を利用して、波長、周波数、または式の操作によって速度を決定する場合、波長はメートル、センチメートル、ナノメートルなどの長さの単位で表され、周波数は通常メガヘルツまたはヘルツ (s-1) で表されることに注意することが重要である。
例題
音符A=440hzが音速343m s-1の空気中を伝搬するときの波長は？
λ = v (343m s-1)/v(440 s-1) = 0.780 m
ヤングの二重スリット実験
19世紀初頭、イギリスの科学者トーマス・ヤングは、光線を2本に分割して再び結合すると、光が波動性の妨害であると仮定しなければ説明できない干渉効果を示すことを証明した有名な二重スリット実験（ヤングの実験ともいう）を実施した。 もし光が厳密に普通の粒子、つまり古典的な粒子で構成されていて、その粒子をスリットから一直線に発射して反対側のスクリーンに当てると、スリットの大きさと形に対応したパターンが見えるはずである。 しかし、実際にこの1本スリットの実験を行うと、スクリーンに映るパターンは光が広がった回折パターンであることがわかる。
同様に、光が厳密に古典粒子からなり、平行な2つのスリットを照射した場合、スクリーン上に期待されるパターンは、単に2つの1スリットパターンの合計になるであろう。 しかし、実際には、明暗の帯が交互に連続するパターンに変化するのです。 この現象を最初に示したのはヤングで、明るさの分布が波面の加法と減法の干渉で説明できることから、光が波でできていることが示された。 1800年代初頭に行われたヤングの実験は、17世紀から18世紀にかけて主流であったニュートンによる光の粒子説に代わり、光の波動説の受容に重要な役割を果たすことになった。 それから約100年後の1905年、ノーベル賞を受賞したアインシュタインの光電効果の研究により、光はある条件下ではあたかもバラバラの粒子で構成されているかのように振る舞うことが証明された。 このような一見矛盾する発見により、古典物理学の枠を超え、光の量子性を考慮することが必要となったのである
。