光子（フォトン）とは？光の粒子の定義・性質・歴史をわかりやすく解説

光子（フォトン）の定義・性質・歴史を図解と例でやさしく解説。エネルギー・波長・相対論的性質まで初心者でも理解できる入門ガイド。

著者: Leandro Alegsa

07-12-2025 19:31

光子（ギリシャ語で光を意味するφωςから）は、物理学における電磁放射（光）の最小単位であり、光を運ぶ「粒子」として扱われる概念です。言い換えれば、光は光子の集合として空間を伝わります。光子は自分自身が反粒子である素粒子で、量子力学では各光子が周波数に依存した特徴的なエネルギー量子を持ちます。周波数が高い光に対応する光子はより大きなエネルギーを持ち、波長が短くなります。

光子のエネルギー・運動量は次の関係で表されます：E = h f（Eはエネルギー、hはプランク定数、fは周波数）。波長λと光速cを用いると E = h c / λ となり、運動量の大きさは p = E / c = h / λ です。光子には通常、ギリシャ文字のγ（ガンマ）が記号として使われます。光子は物質粒子のように「静止」することはできず、常に光速に近い速度で伝播します。

アインシュタイン以前から光の粒子性に関する考察はありましたが、現代的な光子概念の成立にはいくつかの歴史的な重要事象があります。1900年にマックス・プランクが黒体放射の問題を解くためにエネルギーの量子化（E = h f）を導入し、1905年にアインシュタインが光電効果を説明するために光量子（後の光子）を用いました。1923年のコンプトン散乱の実験的確認や、パウル・ディラックらによる電磁場の量子化の発展を経て、1926年ごろにギルバート・ヌートン・ルイスが「photon（光子）」という名前を提案して広まりました。

光子の主な性質

静止質量はゼロ：理論上は静止質量が0であり、実験的にも極めて小さい上限しか確認されていません（事実上質量ゼロと見なされます）。
スピンと統計：光子はスピン1のボース粒子で、実際の自由光子は2つの独立した偏光状態（ヘリシティ±1）を持ちます。静止状態が存在しないため、長さ方向のモード（縦波）は実在の自由光子には現れません。
電荷はゼロ：電気的に中性で、電磁相互作用を媒介するゲージ粒子（量子電磁力学では媒介子）です。
生成・消滅が可能：光子の数は保存されず、物質との相互作用で吸収・放出されます（例えば光電効果、励起・発光、動励起放射など）。
自己反粒子：反粒子は自分自身であり、通常の意味での反物質とは区別されます。

光の波動性と粒子性（波動—粒子二重性）

光は波としての性質（干渉・回折・偏光）と粒子としての性質（光子によるエネルギー交換）を両方示します。現代の理解では、光子は電磁場の量子励起（量子場理論における場の粒子）であり、単一光子でも二重スリット干渉のような波動的現象を示します。場の量子論では、光子の生成・消滅は演算子で記述され、光学現象を確率論的に扱います。

代表的な現象と応用

光電効果：光子が物質表面から電子を打ち出す現象。アインシュタインが説明しノーベル賞を得た。
コンプトン散乱：高エネルギー光子が電子と衝突して波長が変化する効果。粒子的性質の確証となった。
レーザー（誘導放出）：コヒーレントな光子の集団を作り出す技術。通信・計測・医療など幅広い応用を持つ。
光ファイバー通信、太陽電池、分光学、医療用X線・ガンマ線撮影、天文学（例：宇宙マイクロ波背景放射の観測）など、多岐にわたる応用分野。
チェレンコフ放射、ラマン散乱、蛍光・リン光など、光子と物質の多様な相互作用に基づく現象。

理論的な位置づけ

量子電磁力学（QED）では光子は電磁相互作用を媒介するゲージ粒子であり、場の量子化により光子の振る舞いが厳密に記述されます。光子は他の素粒子（電子や陽子など）との間で相互作用を行い、エネルギー・運動量・角運動量をやり取りします。光子の質量がゼロであることはローレンツ不変性やゲージ対称性と整合します。

まとめると、光子は光（電磁波）を構成する基本的な〈量子〉であり、エネルギーE = h f、運動量p = h / λを持つ質量ゼロのボース粒子です。歴史的にはプランクとアインシュタインの業績を起点に実験と理論が発展し、現在の量子場理論によってその性質が詳細に理解されています。光子の性質は自然科学と工学の多くの分野で中心的な役割を果たしています。

レーザーは光子を放出します。

プロパティ

光子は基本的な粒子です。光子は創造と破壊が可能ですが、その寿命は無限です。

真空中では、すべての光子は光速（c）で移動している。

光子には周波数があり、それによって色が決まる。無線技術では、この周波数が大いに利用されている。目に見える範囲を超えると、周波数はあまり議論されなくなり、例えばX線光子と赤外線の区別にはほとんど使われない。周波数は、プランク定数の式で表される光子の量子エネルギーに相当する。

E = h f {\\ E=hf} , $E=hf$

ここで、E $E$ は光子のエネルギー、hは $h$ プランク定数、fは光子に伴う光の周波数である。この周波数は、通常、1秒あたりのサイクル数（Hz）で表される。さまざまな光子の量子エネルギーは、カメラをはじめとする可視光線や可視光線よりも高い放射線を使用する機械によく用いられる。これは、これらの光子が原子をイオン化するのに十分なエネルギーを持っているからである。

光子のもう一つの性質は、その波長である。周波数（f）、波長、光速（c） $c$ は次式で表される。

c = f λ {\\lambda } 。 $c=f\lambda$ ,

ここで、λ{displaystyle ˶‾᷄д‾᷅˵}は、波長（長さ）である。( $\lambda$ lambda）は波長、つまり波の長さです（通常はメートル単位で測定されます）。

光子のもう一つの重要な性質は、その極性である。もし、巨大な光子がまっすぐに向かってきたとしたら、それは縦にも横にも、あるいはその中間にも渦を巻いているように見えます。偏光サングラスは、上下に揺れる光子の通過を阻止します。表面で跳ね返った光はそのように飛びやすいので、まぶしさを抑えることができるのです。液晶ディスプレイも偏光を利用して光の通過を制御している。動物の中には、光の偏光を見ることができるものがいる。

最後に、光子には「スピン」という性質があります。スピンは、光の円偏光と関係している。

光子の物質との相互作用

光は多くの場合、電子がエネルギーを得たり失ったりするときに生成または吸収されます。このエネルギーには、熱や運動エネルギーなどの形がある。例えば、白熱電球は熱を利用している。エネルギーが増加すると、電子は「価数」と呼ばれる殻の中で1つ上のレベルに押し上げられます。そうすると、電子は不安定になり、すべてのものと同じように、エネルギーが最も低い状態になりたいと思うようになります。(エネルギーが最も低い状態というのが分かりにくい場合は、鉛筆を拾って落としてみてください。地面に落ちると、鉛筆はエネルギーの低い状態になります）。電子がエネルギーの低い状態に戻るには、電子に当たったエネルギーを放出する必要があり、エネルギー保存に従わなければならない（エネルギーは創造も破壊もできない）。電子はこのエネルギーを光子として放出しますが、強度が高い場合、この光子は可視光として見ることができます。

光子と電磁力

素粒子物理学では、光子が電磁力を担っている。電磁気とは、電気と磁気を組み合わせた考え方である。身近なところでは、光が電磁気の作用を受けていることを実感できます。机に手を突っ込んでも動かないのは、電荷も電磁気の働きによるものです。光子は電磁気の力を伝える粒子なので、ゲージボゾンでもあります。暗黒物質と呼ばれる物質の中には、電磁気の影響を受けないと考えられているものがあります。これは、暗黒物質が電荷を持たず、光を発しないことを意味します。

質問と回答

Q:光子とは何ですか?

A:光子は光を透過する素粒子で、自分自身の反粒子でもあります。

Q:光子のエネルギーは周波数にどう依存するのですか?

A:光子のエネルギーは周波数に関係し、周波数の高い光子はエネルギーが高く、波長が短い。

Q:光が別々のエネルギーの断片（粒子）から構成されていると提唱したのは誰ですか?

A:アルバート・アインシュタインが、光は別々のエネルギー（粒子）から構成されていると提唱しています。

Q:光子を表すのに通常使われる記号は何ですか?

A:通常、م（ガンマ）という記号が使われます。

Q:光子には質量がありますか?

A:いいえ、光子は静止質量を持っていません。しかし、アインシュタインの相対性理論によれば、運動量はあります。

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