電磁波スペクトルとは：定義・波長範囲（オクターブ、検出法、限界）

電磁波スペクトルの定義から81オクターブに及ぶ波長範囲、検出法や短波長・長波長の理論的限界までをわかりやすく解説。

電磁波（EM）スペクトルとは、可能な限りの電磁放射が取り得る波長（あるいは周波数）の範囲全体を指します。電磁波は、音波と同じようにオクターブ（波長が2倍／半分になる区間）に分けて考えることができ、理論的な全域を取れば非常に多くのオクターブにまたがります。多くの物理学者は、数千キロメートルから原子の大きさよりもはるかに短いスケールに至るまでの波長の電磁波を研究しています。実用的・観測的には、短波長側の限界は量子重力が支配するスケール（例えばプランク長）に近く、長波長側の限界は宇宙の大きさに関連しますが、原理的にはスペクトルの概念は無限です。

波長・周波数・エネルギーの関係

電磁波の波長λ（メートル）と周波数ν（ヘルツ）は光速c（真空中で約3.00×10^8 m/s）を用いて次のように結び付けられます。
ν = c / λ。
また、光子一つのエネルギーEはプランク定数h（約6.626×10^-34 J·s）を用いて E = hν = hc/λ と表されます。エネルギーを電子ボルト（eV）で表すと、E(eV) ≈ 1240 nm·eV / λ(nm) という換算が便利です。

オクターブで見たスペクトルの広がり

オクターブは周波数が2倍になる区間（波長が半分）を指します。理論上、最短スケールに近いプランク長（約1.616×10^-35 m）から、観測可能な宇宙の大きさ（直径でおよそ8.8×10^26 m 程度）までを比べると、波長の比は非常に大きくなります。この比の二進対数（log2）を取ると約205オクターブに相当し、現実的に「約81オクターブ」とする記述は過小評価になります。実際の可観測・実用的なスペクトル区分は装置や環境（大気透過性など）によってさらに限定されます。

主な区分（例）

• ラジオ波：数キロメートル〜数ミリメートル（周波数は数Hz〜数100GHz）
• マイクロ波：数センチ〜数ミリメートル（GHz帯）
• 赤外線：およそ700 nm〜1 mm（近赤外〜遠赤外）
• 可視光：約380 nm〜750 nm
• 紫外線：約10 nm〜400 nm（ただし境界は定義が分かれる）
• X線：およそ0.01 nm〜10 nm
• ガンマ線：0.01 nmより短い波長（高エネルギー光子）

検出法と「テラヘルツギャップ」

電磁波の検出法は波長（または周波数）帯によって大きく異なります。以下は代表的な検出原理です。

• 長波長（数mm以上〜ラジオ帯）: アンテナによって電流を誘起し、受信回路で信号を読み取ります。これは古くから発達した方法です。
• 中間波長（ミリ波〜赤外の一部、いわゆるテラヘルツ領域）: 電子回路で直接検出しにくいため、ボロメーター（熱的検出器）、半導体の遷移、超伝導検出器など特殊な手法が必要で、かつては「テラヘルツギャップ」と呼ばれる未開拓領域でした。21世紀に入ってからの技術進展（高感度受信器、量子カスケードレーザー、光学系と電子系の融合など）で観測・応用が飛躍的に拡大しました。
• 短波長（赤外〜可視〜紫外）: フォトダイオード、CCD、光電子増倍管など、光子を電荷に変換して読み取る検出器が用いられます。多くの分光法やイメージング法が確立しています。
• 高エネルギー（X線・ガンマ線）: 半導体検出器、シンチレーション検出器、ガス電離検出器など、光子の持つ高エネルギーによる原子の電離や相互作用を利用して検出します。宇宙からの高エネルギー放射は大気で吸収されるため、人工衛星や高空観測が必要です。
• 超高エネルギー粒子（ガンマ線を超える場合や宇宙線）: 大気中でのエアシャワーやチェレンコフ光を地上望遠鏡で観測する手法などが使われます。

大気の影響と観測の制約

地球大気は全波長にわたって透過するわけではなく、いくつかの「窓」が存在します。可視光や一部のラジオ・赤外領域は地表から観測しやすい一方、紫外線の短波長、X線、ガンマ線の多くは大気でほぼ完全に吸収されるため、宇宙空間からの観測が必要です。これが電磁波観測の実用上の限界の一つです。

理論的な限界 — プランク長と宇宙の大きさ

理論的には電磁波の波長を無限に短く（高エネルギー）または無限に長く（低エネルギー）考えることができますが、物理法則や宇宙の性質が制約を与えます。最短側では、プランク長（約1.616×10^-35 m）に近いスケールでは古典的な時空の概念が崩壊し、量子重力効果が支配的になると考えられます。最長側では、観測可能な宇宙の大きさが実用的な上限になります。しかし、これらは「原理的な限界」であり、実際の観測可能範囲や用途は技術や環境に大きく依存します。

まとめ

電磁波スペクトルは極めて広範で、波長・周波数・エネルギーの関係を基にさまざまな区分と検出法が確立されています。短波長側の理論的極限はプランクスケール、長波長側は宇宙の大きさに関連しますが、観測や応用は大気透過性や検出技術の発展に依存します。歴史的に検出が難しかったテラヘルツ領域なども、近年の技術革新により急速に開かれてきています。

質問と回答

Q: 電磁波スペクトルとは何ですか?

Q: 電磁波はオクターブに分けられるのですか?

Q: 電磁波のスペクトルは何オクターブあるのですか?

Q: 電磁波の限界は何ですか?

Q: 一般的に原子の電離エネルギーを超えることができる電磁波の範囲はどの程度か?

Q: 3mmより長い電磁波は、どのように検出されるのが一般的ですか?

Q: なぜ21世紀まで30μmから3mmの間の放射線はほとんど使われていなかったのですか?

文字で検索