光波24年度⑥（偏光・分散・散乱）
１．導入（演示実験：「壁をすり抜けるサイコロ」）
今日はまさに色々な現象を扱います。
ではこれをみてください。筒の中にサイコロが入っています。 そして，「筒は真ん中に壁があります。黒い壁が見えますよね。」
しかし，ゆっくりずらしていくと･･･，
なんと「サイコロは壁を通り抜けて反対側にいくことができます！」。
何故でしょうか？･･･
実は壁なんてないんですね。次を見て分かる通りです。
２．偏光とは何か？
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光以外を吸収してしまう）
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。
実際に偏光板を重ねて見ます。
※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。
サイコロの筒は，2枚の偏光シートを互いに垂直方向にして重ねたものです。 これで2枚が重なってみえるところは真っ黒になって，壁のように見えるというわけです！
そして，これは「光が波」であること，
そして「光は横波」であることの１つの証拠です。
粒子であったり，縦波であったりするものが，偏光を起こすとは考えられません
（だって粒子や縦波に方向性があるだろうか？）。
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。
３．光の分散
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。
以前説明したように，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。
４．光の散乱
問題：「なぜ，空は青いのですか？」
いきなり壮大な話になりますが，どうでしょうか？ これは「光の散乱」という現象が関係しています。 空気中には窒素や酸素などの小さな分子があります。 そこに光が当たると，いろいろな方向に飛ばされる。 これを散乱といいますが，そうした小さい粒子では 波長の短い青の方が散乱されやすい（赤の10倍！）。 また，埃とか水滴とか大きい粒子ではすべての色が散乱されます。
次の図のように，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。
５．光の散乱の演示実験
では，実際に夕日を再現してみましょう。
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！
ちなみに，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。
ちなみに，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。
私の好きなアーティストの忌野清志郎の「トランジスタラジオ」という曲に，
「寝転んでたのさ，屋上で，たばこの煙とても青くて」
という歌詞があります。だめですよ，高校生でたばこを吸っては！という話ではなく，
この煙が青いということは，吸って吐いた煙ではなく，たばこからゆらいでいる煙を
寝転んでぼんやり見ているわけです。この歌詞が「とても白くて」では，
なんかスパスパ吸っている感じになってだめなんですね。
６．まとめ
今日は光の偏光・分散・散乱を学習し，虹ができる理由， 空が青くて夕焼けが赤い理由を学習しました。 こうやって説明すると「ロマンがない！」と言われますが， これこそがロマンでしょ！
授業を終えて。。。
今年は話し方がよくなかった。それ次第で反応は変わる。
チオ硫酸ナトリウムは散乱度合いはよい。ただし反応に２，３分かかる。
せっかちだと待てなくて塩酸を追加してしまう。
漂白剤は自由に操れるのでそれでもいいかな。
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