Biophysics · 04.04

光の二重性

Dual nature of light

🧠 光は伝播時に波、エネルギー交換時に光子として現れ、どちらか一方だけでは全現象を説明できない。

波動像と粒子像

干渉と回折は波動による記述を、光電効果photoelectric effect光電効果（photoelectric effect）photoelectric effect（光電効果）やコンプトン効果Compton effectコンプトン効果（Compton effect）Compton effect（コンプトン効果）は量子化quantization量子化（quantization）quantization（量子化）された光子による記述を必要とする。

flowchart TD
  A["伝播で波の振幅が重ね合う"]
  B["検出では<span class='jp-term jp-term-diagram' title='quantum'>エネルギー量子</span>として吸収"]
  C["確率分布に従う個々の検出事象"]
  A --> B
  B --> C

観測配置が示す側面

E=hf,\qquad p=\frac{h}{\lambda}

観測装置と相互作用の種類に応じて現れる側面が異なる。

相補性と単一光子干渉

干渉は確率振幅probability amplitude確率振幅（probability amplitude）probability amplitude（確率振幅）の波動的伝播を示し、光電効果photoelectric effect光電効果（photoelectric effect）photoelectric effect（光電効果）はエネルギー交換が光子単位で起こることを示す。

波動像と粒子像は古典的な同時像ではなく相補的記述。
弱い光でも検出事象は離散的。
多数光子の分布は干渉縞を再現する。

医学・測定への応用

単一光子イメージングsingle-photon imaging単一光子イメージング（single-photon imaging）single-photon imaging（単一光子イメージング）や蛍光検出fluorescence detection蛍光検出（fluorescence detection）fluorescence detection（蛍光検出）の理解に必要。

まとめ

光は伝播時に波、エネルギー交換時に光子として現れ、どちらか一方だけでは全現象を説明できない。
波動像と粒子像は古典的な同時像ではなく相補的記述。
単一光子イメージングsingle-photon imaging単一光子イメージング（single-photon imaging）single-photon imaging（単一光子イメージング）や蛍光検出fluorescence detection蛍光検出（fluorescence detection）fluorescence detection（蛍光検出）の理解に必要。