カテゴリー: 光と色

光の三原色

太陽の光をプリズムで分散すると、赤から紫までの色の光にわかれます。
ところが、わかれた光をふたたび1つに集めると、またもとの白色光にもどります。

このことからわかるように、太陽の光は目で1つの色の光に見えていても実は、いろいろの色の光の集まりであることがわかります。

実験

3本の懐中電灯を、それぞれ赤・青・緑色のセロハンで包みます。
白い紙を壁にはり、それに懐中電灯の光を、いろいろまぜてうつしてみましょう。

赤と青の光をまぜると、赤紫ができ、赤と緑の光をまぜると、黄色ができます。
さらに、赤・青・緑の光をまぜると白紙には色が見えないで、白色光がうつるだけです。

このように、赤・青・緑の3つの色の光りをまぜてほかの色をつくることができるし、まぜる割合をかえると、違った色ができます。

しかし、青と緑をどんな割合でまぜても、赤はできません。
同じように緑と赤から青、青と赤から緑の光をつくることはできません。

つまり、赤・青・緑の光りは、互いに独立した色と考えることができ赤・青・緑の色の光を、光の三原色と言います。

補色

赤い光と青緑の光とを適当な割合でまぜあわすと、白色光になります。
このような2つの色を、互いに捕色（余色）と言います。

絵具の三原色

光をまぜあわせる場合、たとえば赤と青の色の光をまぜると、赤紫になります。
ところが、絵具の赤と青をまぜると紫色になります。

左の図のように、色のついていない白色光が黄色の絵具にあたるとその中で反射や屈折して、青・青紫・紫などの光は吸収されてしまいます。

しかし、赤・橙・黄・緑などの光は反射されて外へ出てきます。
そして、これらの光のうち黄色がいちばん強いので、絵具は黄色に見えるのです。

同じように青色の絵具では、赤・橙・黄などの光は吸収され残りの色が反射して外へ出てきますが、そのうち青色が強いので絵具は青く見えます。

そこで、黄色と青色の絵具をまぜると、互いに他の反射光を吸収しあい2つの絵具が共通して外に出す色が緑色の光だけになるので緑色に見えます。

絵具の場合には、いろいろな色をつくるのに必要な色は赤・青・黄の3つで、これを絵具の三原色と言います。

絵具の補色

光と同じように、絵具にも捕色があります。
たとえば、赤と青緑、黄と青紫などの絵具をまぜあわせると明るい灰色になります。
このように、まぜあわせると無彩色になる2つの色を、互いに補色と言います。

また、たくさんの色の絵具をまぜあわせるとすべての色光を吸収するので暗い灰色になります。

実験

図のようなこまを厚紙でつくり、半分ずつ、互いに補色の色をぬってまわしてみましょう。

全体が、うすい灰色に見えてきます。

中間混合

このように、色をぬった円板で色をまぜあわせると色光と絵具の中間のまざり方をするので、中間混合と言います。

光の正体

目に見えるだけで、手にふれても何も感じられずにおいもない光は、むかしの人にとっては、大きな謎だったのです。

17世紀に入るころまで、光は、つぎのように考えられていました。

空気中には、目にも見えないしまた、手をふれても感じることができないエーテルとよばれているものがいっぱいあって、音が空気中を伝わるように光がこの中を伝わっていくと信じられていました。

粒子説と波動説

18世紀になってニュートンが、光は光源からつぎつぎに飛び出てくる、非常に小さな粒であると考えました。

光の反射や屈折などは、この考え方で、うまく説明することができます。
この考え方は、長いあいだ正しいと考えられていました。

しかし、シャボン玉や水たまりに浮かんだ油のうすい膜にはきれいな色がついて見えますが、これを、光が小さな粒であると考えたのではどうしても説明することができませんでした。

そこで、光は、音と同じような波ではないかと言われるようになりました。

電磁波としての光

こうして光の正体はなかなか掴めないまま、19世紀の前半が終わりました。

1864年、マクスウェルという人が、難しい方程式を使って光の速度と電気の波（電磁波）の速度がほとんど同じことを発見しました。

ラジオの電波や、赤外線・紫外線・Ｘ線なども、みな電磁波とよばれる横波の形で真空中を光の速度で伝わり、ただ波長だけが違っていることがわかったのです。

そして、ヘルツという人が、実験で電磁波を確かめました。

ところが、20世紀になって、原子についてのくわしい研究が進むにつれてまた、光が粒であると考えなければ説明できないいろいろなことがおこってきました。

金属に光をあてると、その表面から電子が飛出します。
このことなどは、光は粒であると考えなおさなければ、どうしても説明できません。

このようにして、いろいろに考えられてきた光は現在では光は、波の性質と粒の性質の両方をもっているもの、と考えられています。

私たちが身近に経験することは、すべて、光を波と考えて説明することができます。

ただ、原子のように、非常に小さなものの中でおこることがらを説明するにはどうしても、光を粒であると考えることが必要になるのです。

物の色

私たちの身のまわりにある物は、それぞれ違った色をしています。

けれども、光のないところでは、色を区別することはできないどころか物があるかないかさえもわかりません。

このように、光があって、はじめて色が見えるのですがどんな光をあてても、1つの物は、いつも同じ色に見えるとは言えません。

このことは、太陽の光で見たときと、蛍光灯の光で見たときとでは同じ物の色が、ずっと違った色に見えることからわかります。

では、どのようにして、物の色が、赤く見えたり、青く見えたりするのでしょう。

物体色

太陽光線のように、色のついていない光が赤い物にあたると、その内部で屈折し、反射します。

太陽光線にふくまれている、いろいろな光のうち赤色光だけが反射されて外へ出てきます。

ほかの色の光は、吸収されてしまいます。
そのため、赤色光だけが目に入るので、その物の色が赤く見えるのです。

また、赤いガラスを通して物を見たときも、同じことです。
光が赤いガラス中に入り込み、赤色光だけが吸収されないで、外に出てくるからです。

つまり、このガラスは赤い光にたいしては、透明体で、ほかの光には不透明体なのです。

透明な物でも、また不透明な物でも、中に入った光の中でもある色の光だけが外に出てきて、そのほかの色の光は内部で吸収されてしまうため色がついて見えるのです。

このようにして見える物の色を、物体色と言います。
ふつうに使われている絵具の色は、物体色です。

表面色

物体色にたいして、物の色には、表面色とよばれているものがあります。
金をうすく伸ばしてつくった金箔は、黄金色に輝いていますが光にすかしてみると、青色に見えます。

これは青い光だけを通して、ほかの色は中で吸収してしまい、外にださないからです。

では、なぜ黄金色に輝いて見えるのでしょうか。
これは、黄金色の光だけは金箔の内部に入らないで表面だけで反射してしまうためです。

しかも、金属の表面の反射に、ガラスの表面での反射と違って光の波長と金属によって反射率が違います。

ですから、金属の種類によって、表面からの反射光が違ってくるのでその金属特有の色に見えます。

それで、このような色を、表面色というのです。
金属の表面の色とか、アニリン染料の色はこれです。

高温物体の色

自分で光を出していない物は、外からきた光によって目に見えますし、またその色は、表面色か物体色のどちらかです。

ところが、木炭の火や、電球のフィラメントや電熱器のニクロム線のような物では自分で光を出します。

その光は、やはり色がついています。

電熱器のニクロム線に電流を通すと、はじめは、光がぜんぜん見えませんが二クロム線が熱くなると、うす暗い赤色になり、だんだん温度が上がるとともにあざやかな赤色になってきます。

さらに電流をますと、ニクロム線の色は、いっそうあざやかな赤色になります。

電球のフィラメントの場合も、同じです。
このことから、物の温度が非常に高くなると、光を出すことがわかります。

ろうそくの炎が明るいのは、つぎのような理由です。

ろうが不完全燃焼するために、炎の中にたくさんの炭素の粒ができています。

これが熱せられ、高温になって光を出すからです。

同じように、ストーブに石炭を入れて燃やすとあたたかさは感じますが、光は何も見えません。

ところが、強く石炭をたき、だんだんそばにいられないくらいになるとストーブの壁の鉄が赤くなってきます。

これは、高温になって、光を出しはじめたからです。

このように、物は温度があがると、光を出し、温度があがるにしたがってうす暗い赤色から、だんだん、黄色・白色と、光の色がかわっていき輝きが強くなっていきます。

このことを利用して、反対に、高い温度を測ることができます。
工場や実験室などで使われている光高温計（光高温度計）は、これを利用したものです。

空の色

煙草の煙りに、横のほうから光をあててみると、煙りがよく見えます。

また、暗い部屋の中で、細い光線を使って同じことをするとその通り道がうすく光って見えるので、光線がまっすぐ進んでいく様子がよくわかります。

光の散乱

これは、光の散乱という現象なのです。

私たちがよく知っているように、大きな物に光があたったときは反射の法則にしたがって、光の進む方向がかわります。

ところが、反射する物の大きさが、小さくなると、この反射の様子がかわってきます。

煙草の煙りは、煙草が燃えてできた炭素のごく小さい粒の集まりです。
この炭素の粒はたいへん小さく、直径が数ミクロン（1ミクロンは1メートルの百万分の1）くらいしかありません。

光の波長は、赤色光でも0.7ミクロンくらいしかありませんが炭素の粒にも、大きなものもあれば、小さなものもまじっています。

もし、光の波長と同じくらいか小さいものがあると反射の法則は成り立たないで、光は、いろいろな方向に進みます。

この現象を光の散乱と言います。

煙草の煙り

散乱する光の量は青に近い光ほど、つまり、波長が短い光ほど多くなります。煙草の煙りは、炭素の粒です。

炭素の粒なら黒く見えるはずですが、粒が非常に小さいため、光の散乱がおこって波長の短い青や紫の光を多く散乱します。

そのため、煙草の煙りは、青く見えるのです。

しかし、人が煙草を吸って口から出した煙りでは、炭素の粒のまわりに水滴がついて粒が大きくなるので、青や紫の光のほかの色も散乱するため
白く見えるのです。

空の雲が白く見えるのも、雲をつくっている水滴が、光を散乱するからです。

青空の青

晴れわたった空が青いのも光の散乱で説明することができます。
空気の中には、ちりとか水滴などのごく小さい粒が、たくさん浮かんでいます。

この粒のため、波長の短い光のほうが、多く散乱されます。
そこで、晴れた空を見ると、青い光が目に入ってきて、青く見えるのです。

また、空気中にちりや水滴がなくても酸素や窒素の分子が光を散乱します。
しかし、このような分子の大きさは、ちりや水滴などより、ずっと小さいのでさらに波長の短い光を散乱します。

夕立の後などでは空気中のごみやちりなどが雨で洗い流されてしまうので、空気の分子のような小さな粒による散乱になります。

そのため、雨のあとは、いっそうすんだ青空に見えるのです。

夕焼けの赤

太陽が、頭の上にあるときにくらべて、朝日とか夕日の太陽の光は空気の中を通る距離が長くなります。

このような場合は、青い光は、途中で空気の中の小さな粒のため散乱されてしまい日に入らなくなります。

ところが、赤や黄色い光は、わりあい散乱されにくくほとんどが、まっすぐ通り抜けて進んできます。

そのため、朝焼けや夕焼けが赤く見えるのです。

赤外線

赤外線は、目に見える赤い光よりさらに波長の長い光（1センチ～0.8ミクロンくらい）です。

光といっても、目に見えませんから、不可視光線（これにたいして目に見える光線を可視光線という）ということもあります。

赤外線は、太陽スペクトルの赤色の外側にあります。
このことは、つぎの実験で確かめることができます。

実験

まず、水銀温度計の水銀の入っている管球部を、黒いきれで包んでおきます。
この部分を、太陽スペクトルの赤色の外側の、目には何も見えないところにおきます。

すると、温度計の水銀柱があがって、高い温度をさすようになります。
このことから、赤色の隣りには、目には何もみえないが何か温度計に熱をあたえるものがきていると考えることができます。

これが、赤外線なのです。

赤外線には、このように物をあたためるはたらきがあるので、熱線とも言われます。

赤外線の利用

太陽からは、私たちが物を見るのに役立つ光のほかに赤外線が出ていて、地球をあたためています。
このほかにも、温度の高い物からは、必ず赤外線が出されています。

電熱器のニクロム線のヒーターも、電流を通すと赤く光りますがそばに近づくとあたたかく感じることからわかるように、赤外線が出ています。

また、赤くなった木炭からも、赤外線が出ています。

ふつうの電球では、フィラメントが高い温度に熱せられて光を出していますがそのうちの3分の2くらいは赤外線で物を照らすのに役立っているのは残りの3分の1くらいにすぎません。

つまり、電球で使われた電気の3分の2は、熱になってしまうわけです。

ところが、蛍光灯は、目に見える光しか出さないので、同じだけの電気を使えばふつうの電球よりはるかに明るい光を出すことができます。

また、赤外線の物をあたためるはたらきを利用して物をかわかすのに赤外線電球が広く使われています。

赤外線は、うすい物をかわかすのに適していますからペンキやラッカーの塗膜を乾かしたり織物の湿り気を取り除いたりするのに利用されています。

赤外線写真

赤外線は、ふつうの光より波長が長いので、空気中の塵や雲・霧などのため
その進む道を満たされることが少なく、よく通り抜けていきます。

それで、赤外線に感じやすいフィルムで写真をうつすと遠くにある景色が、はっきりとうつります。

木の葉や草などの緑色は赤外線をよく反射するので赤外線カラー写真には赤くうつります。

また、私たちの体や身近にある物からは、弱い赤外線が出ているのでこれを利用して、暗いところでも写真を撮ることができます。

紫外線

赤外線と同じように、不可視光線です。

紫外線は、目に見える光のうち、波長がいちばん短い紫色の光よりさらに波長が短く（100～3800オングストロームくらい）太陽光線のスペクトルでは、紫色の外側にあるので、外線とよばれています。

太陽からは紫外線がたくさん出ていますが、地面までくるのはごくわずかです。
これは、空気中の塵のために、方向が曲げられ、散らばってしまうためです。

また、紫外線をいちばん吸収してしまうのは、地球をおおっている大気の厚い層です。
紫外線をよく吸収するのは、空気中の窒素・駿素ですがこのほかに、地上30キロメートルくらいの高さにあるオゾン層も紫外線をよく吸収します。

そのため、最近では、太陽からくる紫外線を高い空で調べる実験がおこなわれるようになりました。

これは、ロケットに観測器械を積んで打ち上げ、紫外線を調べるのです。

このように、大じかけに紫外線を調べるのは、地球の大気に紫外線があたると高空の大気中に電離層という層ができて、この層が無線通信に使う電波の伝わり方に、大きな影響をあたえているからです。

紫外線の利用

紫外線には、細菌を殺す力があります。
そのため、日光消毒といって衣類や本を太陽の光にあてて、消毒することができます。

人工的に紫外線をつくり、殺菌に使うものに、殺菌灯があります。

この殺菌灯は、蛍光灯と同じような原理で水銀の蒸気に電子をあてて紫外線をたくさん出させます。

また、強い太陽の光に長い時間あたっていると海水浴や山登りのときにわかるように、皮膚が黒くなります。

これも、太陽の光にふくまれている紫外線のためです。
健康のために紫外線は必要なもので体の中でビタミンＤをつくるはたらきがあります。

ビタミンＤが不足すると骨の発育が悪くなり、くる病などの病気にかかりやすくなります。

また、太陽の光に布や紙をさらしておくと、色がかわります。
これも紫外線のはたらきで、化学変化か起こったためです。

夏の海岸や高い山で写真を撮ると、露出がうまくいかなくて写真が白っぽくうつるのは、フィルムに紫外線が感光するからです。

このようなとき、ＵＶフィルターやスカイライトフィルターなどの紫外線をよく吸収するフィルターを使うと、写真がきれいに撮れます。

紫外線は、このように化学作用が強いので化学線とも言われます。

蛍光灯

紫外線があたると、目に見える光を出す物があります。
この光を蛍光と言い、蛍光を出す物を、蛍光物質（蛍光体）と言います。

私たちが使っている蛍光灯は、ガラス管の内側に蛍光物質をぬり、その中で水銀の蒸気に電子をあてて、紫外線を出させるようにしたものです。

水銀の蒸気からでた紫外線がガラス管の内側の蛍光物質にあたると蛍光物質が目に見える光線を出します。

紫外線は、紫外線があたると蛍光がでる物があることを利用して真珠や古い文書が、本物か偽物かを見分けるのにも使われています。

虹

雨があがった後に太陽がでると、虹が見えることがあります。

虹ができるのは、雨がやんだばかりのとき、まだ空気中に水滴がたくさんありこれがプリズムのようなはたらきをして、太陽の光を分散し、七色にわけるからです。

実験

水を入れたフラスコと、厚紙を用意して、図のような装置をつくります。
厚紙にあけた穴を通ってくる太陽光線をフラスコにあてます。

すると、光はフラスコの水によって屈折されたり反射されて、厚紙の上に、きれいな円形の虹をつくります。

虹が見えるわけ

空気中に浮かんでいる水滴に、太陽からきた光（平行光線）があたりその中で屈折と反射をして、ふたたび空気中にでてきます。

このときに赤の光は、入ってきた光の方向と42度の角度、紫の光は40度の角度ででていきます。

それで、下の図のように、太陽と見る人をむすんだ線と42度をなす方向から赤い光40度をなす方向から紫の光ができます。

この方向は、色によって違うので、外側が赤でそれから順に、紫までかわっていく光が見えるのです。

虹では、赤から紫までの光がくる方向がきまるだけで、虹の位置は決まりません。
ですから、虹にむかって進んでいっても虹がだんだん下がっていくように見えるのです。

私たちが実際に見る虹では、無数の水滴が空に浮かんでいてそのおのおのに、これまで説明したようなことがおこっているのです。

もし、私たちが空の高いところにいて、まわりに水滴がいっぱいあれば見る人の目を通り、太陽光線に平行な直線にたいして、42度と40度の方向にそれぞれ赤と紫の輪が見え、そのあいだに、橙・黄・緑・青・青紫の輪が見えます。

しかし、実際には、私たちは地上にいて虹を見るので輪の下の方は地面にさえぎられて見えないので、半円の虹が見えることになります。

プリズム

下の図のようなガラスの三角柱を、ガラスのプリズムと言います。
プリズムは、ふつグガラスでできていますが、特殊な研究に使われるものは水晶や岩塩などで作ることもあります。

このプリズムを通して物をみるとまっすぐ前にある物は見えないで横か上下にある物が見えます。

このわけは光がプリズムを通るときに、屈折して、光の進む方向がかわるからです。

光の分散

もし物の色が白ければプリズムを通してみると、どうなるでしょうかこのときは、白い物のはしに色がついて見えます。

また、太陽光線や電球の光を、プリズムを通して白い紙の上にうつしてみると赤から紫までのいろいろな色があらわれます。

このことは、私たちが色のない白い光だと思っていた太陽光線や電球の光（太陽光線にくらべて少し赤い感じがするが、とくに色があるとは言えない）は本当は赤から紫までのいろいろな色が集まっていると考えられます。

色の違った光はプリズムを通るとき、屈折する割合（屈折率）が、それぞれ違います。

そのため、プリズムをでるときに、色によって出る方向が違ってくるので白紙にあたる場所も違ってきます。
それで紙の上に、屈折する割合によって、色がわかれてついて見えるのです。

このように、1つの光がいろいろにわかれることを、光の分散と言います。
プリズムでわかれた光を、またプリズムで1つに集めると、ふたたび白い光にもどります。

分光器

さらに精密に光をいろいろな色の光にわけて調べるには分光器という器械を使います。

そのしくみは、下の図のように、レンズL1の焦点のところにスリットとよばれる細い隙間があり、レンズのうしろにはプリズムがおいてあります。

スリットを通ってきた光は、レンズを通った後では平行光線になってプリズムにあたり、プリズムで分散されて色によって、少しずつ違った方向に出ていきます。

これらの光をレンズで集めてやると、Pへ色によって違った位置に集まります。
Pのところへカラーフィルムをおけば、カラー写真が撮れます。

スペクトル

フィルムにうつったものはスリットの像ですがうつり方は、うつそうとする光によって、いろいろ違います。

もし太陽光線なら、赤から橙・黄・緑・青・青紫・紫と切れ目なく続いた写真が撮れます。

水銀ランプやネオンサインの光を使うと、ところどころにぽつんぽつんと、離れ離れにならんだ何本かの色のついた写真が撮れます。

このように、プリズムによってつくられた色の帯がならんでいる状態をスペクトルと言います。

太陽光線のように、切れ目なく続いたスペクトルを、連続スペクトルと言います。
水銀ランプやネオンサインの光のように、離れ離れにあらわれるスペクトルを線スペクトルと言います。

色の光の屈折率

同じ物質でも光の色が違うと、屈折率は違います。
また、同じ色の光にたいしても物質が違えば、それぞれ屈折率は違います。

それで、屈折率をあらわすときは物質と光の色を、はっきりさせなくてはなりません。

しかし、目で感じた光の色によって、屈折率を決めるのは正確ではありません。赤の色といっても、いろいろあります。

正確に色をあらわすには、色によって違う光の波長を決めてその波長の光にたいする屈折率をあらわすことにしています。

光を波と考えてもよいことは、よく知られていることです。
波長は、1センチの1億分の1を、1オングストローム（Å）と言いこれを単位にして光の色のかわりに使っています。

たとえば、6500Åは赤色光になります。