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最終更新 2026-10-28

プラズマ周波数とは

Plasma Frequency

プラズマ周波数とは、プラズマの中の電子が正のイオンに引き戻されて振動する周波数で、電子密度の平方根に比例し、10¹⁰cm⁻³ならおよそ0.9GHzです。これより低い周波数の電磁波はプラズマに入れず反射されるため、マイクロ波プラズマの密度の上限を決めます。金属が光を反射する理由も同じです。

目次6項目
  1. 定義・解説
  2. 図解
  3. よくある質問
  4. 関連用語
  5. 比較・違いを学ぶ
  6. 出典・参考資料

定義・解説

プラズマ周波数とは、プラズマの中の電子が、少し位置がずれたときに、正のイオンに引き戻されて行ったり来たりする振動(プラズマ振動)の周波数です。電子の密度をnとすると、角周波数はωp=√(ne²/ε0m)で表され、電子の密度の平方根に比例します。周波数に直すと、fp≒8.98kHz×√n(nはcm⁻³)で、電子密度が10¹⁰cm⁻³ならおよそ0.9GHzになります。

プラズマ周波数は、電磁波がプラズマの中を進めるかどうかの境目になります。プラズマ周波数より低い周波数の電磁波はプラズマの中に入れず反射され、高い周波数の電磁波は通り抜けます。そのため、マイクロ波(2.45GHz)でプラズマを作るとき、電子密度が約7×10¹⁰cm⁻³(カットオフ密度)を超えると、マイクロ波がプラズマの奥まで届かなくなります。ECRプラズマは、磁場を使って電子を共鳴させることで、この制限を超えて高い密度を得ています。

同じ考え方は金属や半導体の中の自由電子にも当てはまります。金属では電子の密度が非常に高く、プラズマ周波数が紫外線の領域にあるため、それより低い周波数の可視光は反射され、金属は光沢を持ちます。ドルーデモデルで説明される性質で、不純物を多く加えた半導体や透明導電膜(ITO)の、赤外線の反射の性質もプラズマ周波数で決まります。

図解

プラズマ周波数と電磁波の周波数の大小による反射と透過、電子密度ごとの周波数の目安を並べた表

図をタップで2倍に拡大

電子密度が4倍になるとプラズマ周波数は2倍になる。

よくある質問(FAQ)

カットオフ密度とは何ですか?
ある周波数の電磁波に対して、プラズマ周波数がちょうどその周波数と等しくなる電子密度のことです。これを超える密度のプラズマには、その電磁波が入れなくなります。2.45GHzのマイクロ波では約7×10¹⁰cm⁻³で、それ以上の密度を得るにはECRなどの工夫が必要です。
金属はなぜ光を反射するのですか?
金属の中の自由電子の密度は非常に高く、プラズマ周波数が紫外線の領域にあるためです。プラズマ周波数より低い周波数の可視光は、電子が振動して打ち消すため金属の中に入れず、ほとんど反射されます。そのため金属は光沢を持って見えます。

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比較・違いを学ぶ

出典・参考資料

  1. 名古屋大学 OCW「プラズマ理工学 第9回 プラズマの波動(続き)」(2026/10/28 確認)