最終更新: 2026-06-15

光子エネルギー

光は光子と呼ばれる離散的なエネルギーの束として伝播します。光子1個が運ぶエネルギーは振動数に比例し、波長に反比例します。この関係は、マックス・プランクが1900年に発見し、アルベルト・アインシュタインが1905年に光電効果の説明に応用したもので、量子力学の礎となっています。光が連続した波であるだけでなく、色に応じた大きさを持つ量子化された束として到来することを示しています。

この計算機は、波長または振動数から光子のエネルギーを求め、もう一方の量も同時に表示します。

計算式

光子のエネルギーは次の式で表されます。

$$E = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}$$

ここで、$h = 6.626 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$ はプランク定数、$f$ はヘルツ単位の振動数、$c = 299\,792\,458\ \text{m/s}$ は真空中の光速、$\lambda$ はメートル単位の波長です。$f = c/\lambda$ であるため、2つの式は等価です。

記号	物理量	値・単位
$E$	光子エネルギー	ジュール（J）またはエレクトロンボルト（eV）
$h$	プランク定数	$6.626 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$
$f$	振動数	ヘルツ（Hz）
$c$	光速	$299\,792\,458\ \text{m/s}$
$\lambda$	波長	メートル（m）、しばしばナノメートル（nm）

エレクトロンボルトとジュール

ジュールで表した光子エネルギーは非常に小さな値になります。波長550 nmの緑色光子は約$3.6 \times 10^{-19}$ J で、直感的に捉えにくい数値です。エレクトロンボルト（eV）はより自然な単位で、$1\ \text{eV} = 1.602 \times 10^{-19}\ \text{J}$ です。eV で表すと、可視光の光子エネルギーは1.8〜3.3 eV の範囲に収まり、分子や半導体における典型的な電子遷移エネルギーと直接比較できます。この計算機はデフォルトで eV を使用します。

可視光と電磁スペクトル

可視光の波長はおよそ380 nm（紫）から700 nm（赤）です。各色の光子エネルギーは次のとおりです。

色	波長	光子エネルギー
赤	700 nm	1.77 eV
オレンジ	620 nm	2.00 eV
緑	550 nm	2.25 eV
青	470 nm	2.64 eV
紫	380 nm	3.26 eV

可視光の外では、紫外線光子が3〜100 eV、X線光子が数千 eV、電波光子はマイクロエレクトロンボルト以下のエネルギーを持ちます。

計算例

波長 $\lambda = 500\ \text{nm}$（$5 \times 10^{-7}\ \text{m}$）のレーザーポインターの光子エネルギーを求めます。

$$\begin{aligned} f &= \frac{c}{\lambda} = \frac{299\,792\,458}{5 \times 10^{-7}} \approx 5.996 \times 10^{14}\ \text{Hz} \\[6pt] E &= h \cdot f = 6.626 \times 10^{-34} \times 5.996 \times 10^{14} \approx 3.973 \times 10^{-19}\ \text{J} \\[6pt] &\approx 2.48\ \text{eV} \end{aligned}$$

この計算機に 500 nm を入力すると同じ結果が得られます。振動数の出力として約$5.996 \times 10^{14}$ Hz が表示されます。

光子エネルギーが重要な理由

光子エネルギーは、光が特定の物理的・化学的プロセスを引き起こせるかどうかを決定します。光合成では、赤と青の波長帯の光子が葉緑素分子を励起するのに十分なエネルギーを持っています。太陽電池は、半導体から電子を解放するために閾値エネルギーを超えた光子を必要とします。ヒトの目は網膜の光受容体分子の吸収帯に合わせて1.8〜3.3 eV の範囲の光子に反応します。あるプロセスの閾値エネルギーを下回る光は、強度（光子数）を増やしても反応を引き起こせず、より高い振動数（高エネルギー）の光子のみが遷移を促せます。

関連する量との関係

$h \cdot c \approx 1240\ \text{eV·nm}$ という積は便利な近似で、波長（nm）でこの値を割ることで光子エネルギー（eV）が直接求まります。この近似は正確な計算式と6桁以上一致します。同じ定数は光電効果にも現れ、放出される電子の最大運動エネルギーは光子エネルギーから金属の仕事関数を引いた値に等しくなります。

よくある質問 (FAQ)

光子エネルギーの計算式は何ですか？

光子のエネルギーは E = h·f で表されます。h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s はプランク定数、f は振動数です。光の振動数と波長は f = c/λ（c = 299 792 458 m/s は光速）で結びついているため、E = h·c/λ とも書けます。波長 500 nm の光子のエネルギーは約 2.48 eV です。

可視光の光子エネルギーはどのくらいですか？

可視光の波長はおよそ380 nm（紫）から700 nm（赤）です。対応する光子エネルギーは約1.77 eV（700 nm、赤）から3.26 eV（380 nm、紫）の範囲です。波長550 nmの緑色光の光子エネルギーは約2.25 eVです。これは電磁スペクトルの中間帯に位置し、X線光子は数千 eV、電波光子はマイクロエレクトロンボルト以下と極めて微小です。

光子エネルギーをエレクトロンボルトで表すのはなぜですか？

エレクトロンボルト（eV）は、電子が1ボルトの電位差を通過する際に得るエネルギーで、1 eV = 1.602 × 10⁻¹⁹ J です。可視光の光子エネルギーをジュールで表すと約4 × 10⁻¹⁹ J と非常に小さく扱いにくいため、~2.5 eV という表現が実用的です。また、eV の値は電子遷移エネルギー（一般に1〜10 eV）と直接比較できるという利点もあります。

振動数が高いほど光子のエネルギーは大きくなりますか？

はい。E = h·f より、エネルギーは振動数に比例します。可視光の2倍の振動数を持つ紫外線光子は、ちょうど2倍のエネルギーを持ちます。波長が短いほど振動数が高く、エネルギーも大きくなります。紫外線が日焼けや分子のイオン化を引き起こすのに対し、可視光ではそれが起こらない理由は、光子エネルギーが化学結合を切断するのに十分でないためです。