- 光とは
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光とは何でしょうか。例えば、自ら光を放つ太陽、あの光は何でしょうか。
太陽は、中心部から沸きあがるエネルギーを表面から放射しています。このエネルギーのことを電磁波と呼んでいます。
電磁波は文字どおり波のように振動しながら進みます。この波のうち、一つの山の頂点から次の山の頂点までの距離のことを波長と呼んでいます。電磁波は、波長の長さによって呼び方や働きが異なります。電磁波は、波長の長さによって呼び方や働きが異なります。
波長の長さは、ナノメートルという単位で表現します。1ナノメートルは1メートルの10億分の1の長さです。10億分の1とは、例えば、地球の直径を1としたときの1円玉の大きさよりも少し小さいぐらいです。これから分かるとおり、1ナノメートルは極めて小さい単位のことです。
電磁波のうち、人間の目に見える波長は、380ナノメートルから780ナノメートルといった限られた範囲になります。この範囲の電磁波を可視光線や可視光と呼びます。一般的に光と呼ばれているものは、この可視光線に該当する電磁波のことです。
ちなみに、可視光線よりも波長の長いものとして、赤外線、レーダー波、テレビやラジオの電波などがあります。また、可視光線よりも短い波長のものとして、紫外線、X線、ガンマ線、宇宙線などがあります。
こうした電磁波の使用例を見てみましょう。
レーダー波は、船舶や航空機の探知、また、気象観測などで用いられています。
赤外線には熱効果があるため、暖房器具や調理器具などに応用されています。別名「熱線」とも呼ばれています。
紫外線には色を褪色させる作用があります。また、メラニン色素に作用して、人間の肌を黒くします。別名「化学線」とも呼ばれています。
X線は医療関係でレントゲン撮影に利用されています。
- 光と色について
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電磁波は、先の使用例のように、波長によって異なる性質を持っています。従って、可視光線も波長によって性質が異なります。この異なる性質が表面化するのが色なのです。
可視光線の中で最も波長が長い光は赤色です。その赤色よりも少し波長が長くなると可視光線の域を超え、赤外線に変わります。
一方、最も波長が短い光は青紫色です。その青紫色よりも少し波長が短くなると可視光線の域を超え、紫外線に変わります。可視光線は波長が780ナノメートルから380ナノメートルと短くなるにつれ、赤色から、橙色、黄色、緑色、青色、藍色、青紫色と変化していきます。よくモニタの色表現でRGBという3原色が取り上げられますが、このRGBは、Red、Green、Brueというように、波長の長いものから短いものへと文字を羅列しています。
通常、私たちが目にする光は様々な波長のものが織り交ざっています。この光を各波長毎に分けることを分光と呼びます。また、分光によって得られる単一波長の光を単色光と呼びます。
光を分光するためには、分光器と呼ばれるものを使用します。透明なガラスの三角柱「プリズム」も分光器の一種です。
世界で始めて太陽光線を分光したのはかの有名なニュートンです。彼は万有引力を発見したことで有名ですが、こんなところでも功績を残しています。暗い部屋の中に小さな穴から太陽光線を引き込み、プリズムを通して分光しました。すると、赤、橙、黄、緑、青、藍、青紫と変化していく色の帯が壁に映し出されたのです。ちなみに、この帯のことはスペクトルと呼ばれ、単色光が波長の順に並んで見え、いわば虹のように見えるものです。
ところで、なぜ、プリズムに光を通すと分光されるのでしょうか。
それは光の直進性にあります。光は何もさえぎるものがないところでは直進します。しかし、物に当たると曲がります。この曲がりのことを屈折といいますが、波長の長さによって屈折率、つまり曲がる確度が異なるのです。この屈折率は波長が長いほど小さく、波長が短いほど大きくなります。この屈折率の違いにより、プリズムを透過する光は波長ごとに分かれていき、スペクトルを出現させるのです。
余談ですが、ダイヤモンドやクリスタルなどのきらめきもスペクトルの一種です。また、既出の虹も雨粒がプリズムの代わりとなって太陽光線を透過させた結果として生じるスペクトルです。
プリズムで分光させてできた単色光は、最小単位の光です。従って、その光を再度プリズムに透過させても、これ以上、分光しないことになります。
ニュートンの実験により、太陽の光が無色でないことが分かりました。そして、いろんな波長の光が折り重なると無色になるという結果につながっていきました。様々な波長の光がほぼ同じ比率で混合された光は無色になるということです。そんな光のことを白色光と呼びます。太陽光も色みを感じさせない光ですので、白色光の一種です。
- 長波長・中波長・短波長について
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可視光線の波長の範囲は、先にもあるとおり380～780ナノメートルです。しかし、実際には境界線があいまいなようで、よく400～700ナノメートルという領域で説明しているものを見かけます。これは特に長波長、中波長、短波長という概念の説明の際に用いられます。400～500ナノメートルを長波長、500～600ナノメートルを中波長、600～700ナノメートルを短波長とすると、うまく100ナノメートルごとに区切られており、人間の記憶にとって都合がよいわけです。
長波長の光は赤っぽく、中波長の光は緑っぽく、短波長の光は青っぽく見えます。ここから先のRGBという概念が生まれていますので、長波長、中波長、短波長という言葉は聞きなれていなくても覚えやすく、身近な存在であることに気づかされます。