1900年にマックス=プランクが発見した式は、黒体輻射に関する実験データーに見事に一致した。既存の理論では、その説明は全く不可能であった。プランクは伝統的思考を重視する人であり、光の古典的波動像を堅持したが、ただ1点、振動子の量子化を強調した。即ち、振動周波数νの場のエネルギーは、hvの整数倍の値のみをとる。ここで、hはプランク定数とよばれ、6.628 x 10-34 Jsである。この点は、古典的物理学を完全に逸脱している。

電子の発見者であるトムソンは、古典的波動像では説明不能な電磁波の局所的集中を予測した。周波数の高い電磁波(X線)ビームをガスに照射したとき、ガスのイオン化はX線ビーム断面内でランダムに局所的に発生した。あたかも、断面内エネルギーはランダムスポット状に分布しているようであった。

古典的電磁波とまったく異なる現代的な光子概念は、光電効果に関する理論的研究によって1905年にアインシュタインが確立した。電磁放射を照射すると金属は電子を放出する。この過程は、古典的電磁気論では説明不能であった。アインシュタインは、光電効果に対して明確な説明を与えた。そのための基本仮定は、電磁界自体が量子化され光子となり、そのエネルギーεは、

3.48

である。光子は速度cであり、安定で電荷も質量もない基本粒子である。

1924年にボースは、光量子に適用された統計的方法を用いて、プランクの黒体輻射に関する方程式の厳密な証明を行った。通常の古典的ガス中の各粒子は個別に区別できるのに対して、空洞中の光子ガスでは、各光子は他の光子と区別不能とみなされた。光の統計的性質を記述する量子力学的な確率関数は、今日ではボース・アインシュタイン分布として知られている。

光子を直接見ることはできず、生成または消滅の結果を観察することで光子を認識できる。微弱光源から等距離の位置に複数の光検出器を配置して観測する。古典的連続波を想定すれば、各検出器は同時に光を検出するはずであるが、実際は、(十分光を弱くすると)各検出器が独立に光パルスを検出する状態になる。原子が勝手な方向に局所的光量子を放出するという考えに一致する。

光子を放出した原子が反動を受けることも確認されている。原子の細いビームを形成する。原子が励起されていない場合は、細いビーム形状は維持される。原子を励起状態にすると、ランダム方向に光子を放出し、原子は反動を受ける。その結果として、ビームは広がりを示す。この現象も、古典的な電磁波放射では説明困難である。

 

参考文献

E. Hecht 著、尾崎義治・朝倉利光 訳「ヘクト 光学 I 」第9版 丸善(2013)