電波の発信・伝搬・強度について | 電気工事の求人は神奈川県、平塚の東和電気株式会社 | ブログ

では光子は飛び出しているのか

　ここが非常に深い問いです。答えは「量子論的に見れば光子として記述できるが、古典的な電波の描像とは別の層の話である」です。

　電波を含む電磁波は、量子電磁気学の枠組みでは確かに光子の流れとして記述されます。ただし電波の光子は可視光の光子と比べてエネルギーが極めて小さく、一個一個の光子を識別することは実用上ほぼ不可能です。AMラジオ（約1MHz）の電波の光子一個のエネルギーは、可視光の光子の約一億分の一以下です。

　また、電波は非常に多数の光子が重なり合った状態（コヒーレント状態）として現れます。この状態では量子論的な粒子性よりも波としての性質が前面に出るため、「波が伝わる」という古典電磁気学の描像が非常によく現実を表します。したがって電波を「光子が一個ずつ飛んでいく」と考えると誤解が生じます。むしろ「巨大な数の光子が協調して作り出した連続的な波」と理解する方が実態に近いです。

　X線やガンマ線になると光子一個のエネルギーが大きくなり、粒子としての性質が前面に出てきます。電波・電磁波・X線・ガンマ線はすべて同じ電磁波の仲間ですが、周波数が上がるにつれて「波の描像」から「粒子の描像」が適切になっていくという連続的な移行があります。

強い電波・弱い電波とは何か

　電波の強さは本質的に**単位面積あたりのエネルギーの流れ（電力密度）**で表されます。

　アンテナから放射された電波は球面状に広がっていくため、距離が2倍になると面積が4倍になり、同じ場所に届くエネルギーは4分の1になります。これが「距離の二乗に反比例して弱くなる」という逆二乗則です。

　強い電波は電場の振幅が大きく、単位時間に運ぶエネルギーが大きい状態です。量子論的に言えば単位時間・単位面積を通過する光子の数が多い状態です。弱い電波はその逆で、振幅が小さく光子の数が少ない状態です。

　電波の強さを実用的に決める要因は主に三つあります。送信側の出力（送信アンテナに投入する電力の大きさ）、アンテナの利得（電力を特定方向に集中させる効率）、そして距離と障害物による減衰です。携帯電話の電波が山間部で弱くなるのは、基地局からの距離が遠くなることによる逆二乗則の効果と、地形による遮蔽・散乱の両方が重なるためです。

周波数と強さの関係についての補足

　強い・弱いという表現には注意が必要で、周波数が高い電波が強いわけではありません。周波数は「一秒間に振動する回数」であり、強さ（振幅・エネルギー密度）とは独立した量です。ただし同じ出力で送信した場合、周波数が高い電波は障害物を回り込む能力（回折）が低く、直進性が強くなるため、見通し線上では強く届くが遮蔽物の裏では急激に弱くなる、という性質の違いがあります。

　量子論の観点では光子一個のエネルギーは周波数に比例します。つまり同じ枚数の光子でも高周波の方がエネルギーが大きい。これがX線やガンマ線が物質を透過したり生体を損傷したりする理由です。電波の周波数帯では光子一個のエネルギーが小さすぎて生体に直接損傷を与える能力を持たないのはこのためです。

まとめ

　電波の発信は電子の加速運動が空間の電場・磁場を変動させることで起きます。その変動が光速で伝わる現象が電波であり、「何かが飛んでいく」というより「状態変化が波として広がる」現象です。量子論的には光子として記述できますが、電波の帯域では膨大な数の光子が協調して波を作るため、古典的な波の描像が実態をよく表します。強い電波とは振幅が大きくエネルギー密度が高い状態であり、主に送信電力・アンテナ設計・距離によって決まります。