光子と電子の決定的な違いは、光子がエネルギーの塊であるのに対し、電子は質量であることです。

電子は、ほとんどすべてのものの中で重要な役割を果たしている素粒子です。光子とは、量子力学において非常に重要なエネルギーの概念的な塊である。電子と光子は、量子力学の発展とともに急速に発展した概念である。これらの概念を正しく理解することは、量子力学、古典力学、およびその関連分野を正しく理解するために不可欠である。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. 光子とは 3. 電子とは 4. 横並び比較 - 光子と電子を表形式で 5. まとめ

光子(フォトン)は何ですか？

フォトンは、波動力学で議論するテーマです。量子論では、波も粒子としての性質を持つことが観測される。光子は波の粒子である。波の周波数にのみ依存する固定的なエネルギーである。Eは光子のエネルギー、hはプランク定数、fは波の周波数で、E=hfという式で光子のエネルギーを与えることができる。

図01：電磁波としての光子の動き

光子はエネルギーの塊と考えることができます。相対性理論の発展により、科学者たちは波にも質量があることを発見した。これは、波動が物質との相互作用において、粒子として振る舞うためである。しかし、光子の静止質量はゼロである。光子が光速で運動するとき、その相対論的質量はE/C2である。ここでEは光子のエネルギー、Cは真空中の光速である。

エレクトロンは何ですか？

原子は、ほぼすべての質量を含む正電荷の原子核と、原子核の周囲を回る電子から構成されている。この電子は負の電荷を帯びており、質量も原子核に比べると小さい。電子の静止質量は9.11×10-31kgである。

電子は、素粒子であるフェルミオンの一群に属している。また、スピンとして半分の整数値を持っています。スピンは、電子の角運動量を表す性質である。古典的な電子の理論では、電子は原子の原子核の周りを回る粒子とされている。しかし、量子力学の発展により、電子は波のように振る舞うこともできることが分かってきた。

図02：水素原子の電子(赤)と原子核(青)

さらに、電子は特定のエネルギー準位を持っている。ここで、電子の軌道を、原子の原子核の周りに電子が見つかる確率の関数として定義することができる。科学者たちは、電子は波と粒子の両方の振る舞いをすると結論付けている。進行波の電子を考えたとき、粒子よりも波の特性の方が顕著なものがある。相互作用を考えると、波動よりも粒子の性質が際立ちます。電子の電荷は-1.602x10-19cであり、これはあらゆる系で得られる最小の電荷である。さらに、他のすべての電荷は、電子の単位電荷の乗算である。

フォトンと電子の違い

光子はエネルギーの担い手となる素粒子であり、電子はすべての原子に存在する素粒子である。光子と電子の決定的な違いは、光子がエネルギーの塊であるのに対し、電子は質量であることです。さらに、光子には静止質量がないが、電子には静止質量がある。光子と電子のもう一つの重要な違いとして、光子は光速で動くことができるが、電子は理論上、光速を得ることが不可能である。

また、光子と電子の違いとして、光子は波動的な性質が強く、電子は粒子的な性質が強いことが挙げられます。以下は、光子と電子の違いについてのインフォグラフィックです。

概要 - フォトン vs. 電子

光子はエネルギーの塊と表現できる素粒子であり、電子は質量を持つ素粒子である。つまり、光子と電子の決定的な違いは、光子がエネルギーの塊であるのに対し、電子は質量であることだと言えます。

引用

1 ジョーンズ、アンドリュー・ジマーマン"物理学でいうところの光子とは？" ThoughtCo, 3 Sep. 2018.2はこちら。ブリタニカ百科事典編Encyclopedia Britannica, 7 Feb. 2018 2 Encyclopædia Britannica eds."Photon," Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, 7 February 2018.