光波27年度⑧（散乱・分散・偏光）
１．導入
前回はレンズの学習を終え，光の三原色を学習しました。 人間の眼には赤・青・緑が入れば白く見える。 自然光の白色光はすべての波長が，つまりすべての色が 混じっているわけです。 今日は，色にまつわる現象を扱っていきます。
２．分散
ここに，三角プリズムがあります。
ここに太陽からの光をあててみましょう。
すると，このように虹の帯が見えます。これを「スペクトル」といいます。
前回説明したように，太陽からの光は白くか，これを「白色光」といいますが，
このようにプリズムを通すと，虹のようになるということは，
もともと白色の光なんてなく，いろいろな色の光（単色光）が
集まって「白色」に見えるわけです。
このように，白色光がプリズムなどによって単色光のスペクトルにわかれることを， 「分散」といいます。
分散する理由は，
わずかに屈折率が波長によって異なるからです。
例えば，ガラスは1.5くらいといっていましたが，
赤だと1.51で，紫だと1.53というくらいずれる。
これによって図のように分かれます。
スペクトル
先程見たような，虹の帯を「スペクトル」といいますが， 太陽光のように赤から紫まで連続してみえるものを「連続スペクトル」 といいます。白熱灯も同様に見えます。しかし太陽光はよーく観察してみると， ところどころに黒い線がみえるのです。これを「暗線」といいますが， その色は届いていないということです。暗線の部分は地球の大気に吸収されたものです。 これを特に「フラウンホーファー線」といいます。 地球以外の星の暗線を探ればその星の大気の組成がわかるはずです。
一方，高速道路のトンネルに使われている（使われていた？） オレンジ色の光を放つ「ナトリウムランプ」などを 同じようにしてプリズムに通しても，赤や黄色の線が見えるだけです。 このようなものを「線スペクトル」といいます。 これはその色しか出ていないということです。原子内の電子の遷移 （ある軌道から他の軌道に電子が移動する）の際に出る波長は決まっています。 それがナトリウムならオレンジになるわけです。 化学で学習する炎色反応で，原子によって色が変わるのはそのためです。
虹のできる理由
虹は分散によってできます。図のように，空気中の水滴の中で屈折して反射して屈折して 出てきた光が目に入ります。このとき赤よりも青のほうが屈折率が大きいので， 上の方に光が進みます。よって，虹の帯は赤が上で青が下に見えるのです。
だから，雨が降った後に虹を探すには， 太陽に右手を向け左手も一直線にします。 そこから42度だけ左手を上げます。その方向に虹はあるはずです。 ないときには虹はできてないのでしょう。
３．散乱
まず問題ですが，
夕焼けはなぜ赤く見えるのでしょうか？
これはね，結論を言ってしまえば， 青い光は散乱されやすい。つまり，大気中に光が 入ってくると，青は空気中の分子によっていろいろな方向に 散乱されるのです。 といっても，よくわからないと思うので，実験をしてみましょう。
水槽にチオ硫酸ナトリウム水溶液（0.02mol/Ｌで１Ｌちょっと）を入れます。 ここに塩酸（6mol/Lを3mL）を入れます。 そうすると硫黄のコロイドが形成されてきます。 それが地球の大気の役割をします。それに光を通します。
これを通った光は昼間の太陽です。（上の写真で，少し光が青いのがわかります？）
しばらく待ってください。すると･･･
ちょっと黄色くなっているのがわかりますか？さらに時間がたつと･･･
かなり赤になっています。これが「夕日」です！！！
このとき水槽は･･･
となっています。手前が青く，だんだんと黄色くなっているのがわかりますか？ 青の方が散乱されやすいのでまずは青が散乱されます。 それが目に見える。これが「昼間の空が青い」理由です！
まとめておきましょう。
上の図のように，太陽が上にある昼間は光が通り抜ける大気が短いため， あまり光は散乱されません。しかし，夕方や朝は太陽が低い位置にあり， 光が通過する大気が長くなります。その間に青が散乱されます。 白色光から青が抜けると光は赤っぽくなる。それが夕日です。 そして散乱された青い光は昼間の人が見ます。 ですので，昼間の人は太陽が白く他の空の色が青く見えるのです。 月の昼間に空を見上げてみると，太陽は白いのは同じですが， 太陽以外の空は真っ暗です。それは，月に大気がないため， 散乱によって届く光がないためです。 これが昼間の空が青く，夕焼けが赤い理由です。
※授業ではしなかった余談①…
火星では大気は少ないのですが，
埃などがたくさん舞っているため，
すべての光が反射され白く曇って見えます。
そして実は埃などの大きい粒子ではすべての色が散乱されるのですが，
赤が一番散乱されやすいのです。
よって昼間の空はピンクがかってみえる。
逆に夕焼けは赤が抜けるので，青っぽく見えるのです。
※授業ではしなかった余談②…たばこの煙を「紫煙」というのを知っていますか？
これも同じ原理です。たばこの小さい粒子が青や紫を
散乱しているために紫色に見えます。
しかし，吸って吐いた煙は白です。
吸うとたばこの小さい粒子が水蒸気や水滴などとくっつき，
大きい粒子になってしまいます。
するとすべてを散乱し白に見えます。
これは雲と同じです。
※授業ではしなかった余談③…海が青い理由は散乱ではありません。
水の分子は青よりも赤い光の方を吸収しやすいのです。
だから太陽から出て海に入った光のうち，
海底面などで反射して戻ってくる間に赤は少しずつ吸収されてしまい，
結果青に見える。吸収されるのは少しですので，浅い海やコップの水は
透明ですが，深い海は青く見えるのです。
４．偏光
ここに偏光板というものがあります。 2枚重ねて見ると，こうやって見えます。
しかし，「うーん，はいっ！」って気合いを入れると…
ね，黒くなって見えるでしょ。
生徒：（あきれ顔）
わかった。もういいよ！
まあ，こうやって回転させると黒くなってしまうんです。
では，黒く見えたのは何でしょうか？･･･
その理由は「光は横波だから！」。
もう少し詳しく説明しましょう。
①光は横波であり，通常（例えば太陽光や蛍光灯など）は，いろいろな方向に振動する光が集まっている。
②その光を偏光板を通すと，１方向だけに振動する光（例えば縦方向だけ）だけになる。この光を「偏光」という。
（偏光板は特定の方向に振動する成分だけを通過させる）
③もう一枚の偏光板を横向きにして重ねると，
はじめの偏光板を通り抜けた縦方向の光も吸収され，真っ黒にみえる。
※1枚目の写真が同じ方向に偏光板を重ねたもの， 2枚目の写真が互いに垂直の向きに重ねたものです。
※今年は，ここで石井先生が提唱された プラスチックばねをすだれ（100円ショップの引出しケースの 引出しを外したもの。３段で100円！）に通す実験をしました。 次のように，すだれを縦にして縦の振動を送ると通過できますが， 横の振動を送ると通らない。斜めの振動を送ると， 縦の振動だけになってしまう。すだれを２つ縦と横にし， 斜めの振動を送ると縦を通過すると縦だけの成分になってしまうので， ２つめの横のすだれを通過することはできない。
こうやって，すだれの向きで通過したりしなかったりするということは， 光が「横波」であるという証拠だよね。 だって，こうやって（実演する）ばねをガシャガシャやって 縦波を起こせば，当然，すだれの向きに関係なく通過する。 だから，光は「横波」だとわかったのです。
しかしね，歴史的なことを言うと， 偏光が見つかる直前に，次に紹介する「ヤングの実験」 というのが見つかったわけです。 「ヤングの実験」の結論は，「光は波である」 ということだったのです。 当時，光が波なのか，粒なのかをめぐる長い論争があった。 ニュートンの後継者たちは光は粒だと思っていた （ニュートン自身が粒子説だったかは微妙）。 一方，ホイヘンスやフックは光は波だと考えていた。 そんなときに「ヤングの実験」が発見され， 波動説の勝利かと思われたのですが， そんなときこの「偏光」が見つかったのです。 波なのはいいけど，横波って！ なぜなら「横波は固体中しか伝わらない！」はずです。 例えば縦波のP波はどこでも伝わるけど， 横波のS波は固体中しか伝わらない。 そこから地球の中心に液体の層があることがわかったのです。 しかし，光は水中でも真空中でも伝わる。 じゃあ，光って何が振動しているの？ という話になるのです。ここから先はまたどこかで話しましょう。
まとめておきます。
釣り用のサングラスをかけると，水中の魚が見やすくなります。なぜでしょうか？
釣り人が水面を見ているとき，目に入ってくる光は2種類あります。
水中から屈折してくる光と水面で反射してくる光です。
水面で反射すると，実は，偏光が起こります。
水面に対して垂直に振動する光はあまり反射されないのです。
そのため，偏光サングラスをかけ水面に対して平行に振動する光をカットすると，
水面で反射する光はほとんど目に届きません。
そうすれば，水中から届く光だけをみることができ，
魚を見つけやすくなるというわけです。
５．まとめ
今日は分散，散乱，偏光という現象を紹介しました。 いろいろあってごちゃごちゃになりそうだね。 整理をしておいてね。次回は最後に話した「ヤングの実験」に入ります。
授業を終えて。。。
・各事項は楽しいけど，羅列的になっている。
時間の関係上仕方がないが，もう少し歴史的に話してもよいかもしれない。
つまり，光の前半は「幾何光学」として，
反射，屈折，レンズなどを扱う。
後半は「光をめぐる歴史」として，
うまく配置できないかな？扱わなかったフーコーの光速測定も
，水中での光速が空気中よりも遅くなることを証明し，
粒子説の屈折の理由を論破したという意味では歴史的に重要だろうとも思う。
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