虹の原理０７２３２０４５山本愁１．虹とは • 順序よくならんだ色のスペクトルであらわれる光の円弧。空気中を落下する水滴によってできる。ふつう、雨上りのときなどに太陽の反対側にあらわれる。滝のしぶきによってもできる。一般的には昼間に観測されるが、夜間に月の光で発生することもあり、こちらは月虹(げっこう)としてしられている。太陽光線が水滴に入ると、屈折され、反射されて、色のスペクトルとしてあらわれる。その色がみえるのは、太陽、水滴、観測者をむすぶ反射角が40～42°のときだけである。太陽が低い位置にあるとき虹は比較的高い位置にみることができ、また太陽が高い位置にあるときには虹は空の低い位置にあらわれる。このような場合でも、40～42°という角度はかわらない。太陽の光による虹月虹(げっこう) スペクトル • 白色光のような合成された光を成分の色に分解したときにみられる、紫、青、緑、黄、だいだい、赤と波長の順にならんだ虹(にじ)のような色の列をスペクトルという(→ 色：光)。紫と青の間に藍(あい)色をいれて7色とすることが多い。虹は気象現象によって自然につくられるスペクトルである。虹と同じようなことは、太陽光をガラスのプリズムにとおすことによってみられる。プリズムをつかってスペクトルを観察し記載したのは、1666年、ニュートンが最初とされる。 2.屈折とは • 空気のような透明の媒体から、ガラスや水のような別の透明な媒体にはいるとき、光線はまげられる。ふたたび空気中にでてくるときには、光線はまたそこでまげられる。まげられる現象は屈折とよばれる。屈折する量は光の波長によってきまる。たとえば紫の光は、空気からガラス、あるいはガラスから空気へと通過するときに、赤の光よりも大きくまがる。したがって赤と紫の光が混合した光は、プリズムを通過すると分解して2つの色になる。 • 色のことなる光も、振動数と波長がちがっているだけで、秒速約30万kmの速さですすむ電磁放射からなっているという点では同じである。振動数は光の速さを波長で割ったものに等しい。同じ波長をもつ2つの光線は、同じ振動数、同じ色をもっている。光の波長はひじょうに短いので、ナノメートル(10億分の1 メートル)であらわすのが便利である。紫の光は400～450ナノメートル、赤の光は620～ 760ナノメートルの波長をもつ。分光について • スペクトルをつくり、視覚的にみる装置は分光器である。写真でスペクトルを観察し記録する装置を分光写真器といい、スペクトルの各部分の明るさを測定する装置を分光計(スペクトロメーター)という。分光器、分光写真器、分光計をつかってスペクトルを研究する分野を分光学という。きわめて精密な分光学的な測定のためには、ほかに干渉計がつかわれる。 19世紀に、スペクトルの紫の端の外に、人間の目にはみえないが光化学作用をもつ放射のあることが検出された。この放射は紫外線と名づけられた。同様にスペクトルの赤の端の外側に、目にはみえないがエネルギーをつたえて温度計の温度をかえる作用のある赤外線が検出された。そこでスペクトルとは、これらの目にみえない放射もふくむものとあらためられ、それ以来、赤外線よりもさらに外側の放射や、紫外線よりも外側のX線やガンマ線にまでひろげられてきた。スペクトル分解 • スペクトルという言葉は、一般には、複雑な現象を分解したときにあらわれる、秩序だってならぶ成分をさしてつかわれる。たとえば雑音のような複雑な音は、さまざまな高低をもった純粋な音の音響スペクトルに分解することができる。原子量のことなる元素や同位元素の混合物は、質量スペクトルとよばれ、原子量の順に分離することができる。 • 分光学は化学の分析に重要で精密な方法を提供したのみならず、天文学と原子理論というはなれている分野においても重要な発見をもたらしてきた。原子の外殻電子の運動が変化すると、可視光、赤外光、紫外光の領域での光のスペクトルがつくりだされる。重い原子の内殻電子の運動の変化はX 線スペクトルをつくりだす。分子配列の変化は、可視光から赤外光にわたるスペクトルをつくりだす。