色の秘密：吸収スペクトル

色の秘密：吸収スペクトル

光と色の関係

私たちが普段見ている色は、光と物との関わりによって生まれています。太陽や電灯からの光は、一見白い光に見えますが、実際には虹のように様々な色の光が混ざり合ったものです。プリズムを使うと、この白い光を七色に分解することができます。

この光が物体に当たると、物体はその表面で光の一部を吸収し、残りを反射します。私たちが色として認識しているのは、この反射された光です。例えば、赤い林檎は赤い光を反射し、他の色の光は吸収しています。だから私たちの目には赤く見えるのです。同様に、青い車は青い光を反射し、他の色の光を吸収しているため、青く見えます。

もし全ての光を吸収する物体があれば、それは黒く見えます。これは、反射される光がないため、私たちの目に光が届かないからです。黒い布や黒い車は、ほとんど全ての光を吸収するため、黒く見えます。反対に、全ての光を反射する物体があれば、それは白く見えます。白い壁や白い紙は、ほとんど全ての光を反射するため、白く見えます。

光の色と物体の色の関係は、色の三原色で説明できます。光の三原色は赤、緑、青です。この三色の光を混ぜ合わせると白い光になります。一方、色の三原色はシアン、マゼンタ、イエローです。これらの色は、それぞれ光の三原色の補色にあたります。つまり、シアンは赤の光を吸収し、マゼンタは緑の光を吸収し、イエローは青の光を吸収します。絵の具を混ぜる時、例えばシアンとマゼンタを混ぜると青色になりますが、これはシアンが赤の光を吸収し、マゼンタが緑の光を吸収するため、残った青色の光だけが反射されるからです。

このように、光と色の関係は、物体がどの光を吸収し、どの光を反射するかという、光と物質の相互作用によって決まります。身の回りの様々な色の物体は、それぞれ異なる光を吸収し、反射しているのです。

吸収スペクトルとは

光は様々な色の光が混ざり合ってできています。虹を思い浮かべてみてください。赤、橙、黄、緑、青、藍、紫、これらはすべて光の仲間であり、それぞれ異なる波長を持っています。

物質に光を当てると、物質によってはこの光の一部を吸収します。どの色の光をどれだけ吸収するかは、物質の種類によって異なります。例えば、赤い物体は青い光をよく吸収し、赤い光はあまり吸収しないため、私たちの目には赤く見えます。

この、物質がどの波長の光をどの程度吸収するのかを示した図のことを、吸収スペクトルと言います。吸収スペクトルは、横軸に波長、縦軸に吸収の程度を示すグラフで表されます。横軸には、光が持つ波長の大きさを、短い方から長い方へと並べて示します。縦軸には、光がどれだけ吸収されたかを示します。

吸収スペクトルは、物質ごとに異なる特有の形をしています。まるで物質の指紋のようなものです。ある物質は特定の波長の光だけを強く吸収し、他の波長の光はあまり吸収しないということもあります。また、複数の波長の光を吸収する物質もあります。この吸収のパターンは、物質の分子構造や電子状態といった性質によって決まります。

この吸収スペクトルの形を調べることで、未知の物質が何であるかを特定したり、物質の性質を詳しく調べることが可能になります。例えば、ある物質の吸収スペクトルが既知の物質の吸収スペクトルと一致すれば、その物質が何であるかを特定できます。また、吸収スペクトルの変化から、物質が化学反応を起こしているかどうかを判断することもできます。そのため、吸収スペクトルは、化学や物理学、天文学など、様々な科学分野で物質の分析や研究に広く利用されています。

色の見え方の仕組み

私たちが普段見ている色は、光と目と脳の共同作業によって生まれています。世界は光に満ちており、その光が目に入ることで初めて私たちは物を見ることができます。では、どのようにして色が見えるのでしょうか？

まず、私たちの目の中には、光を感じる特別な細胞があります。この細胞は、カメラのフィルムのような役割を果たし、光を捉えます。光には様々な種類があり、それぞれ波のような形で空間を伝わっていきます。この波の長さを「波長」と言いますが、光の波長の違いによって、色の見え方が変わります。例えば、短い波長の光は青色に見え、長い波長の光は赤色に見えます。

これらの細胞は、捉えた光を電気信号に変換し、脳に送ります。そして、脳は送られてきた信号を処理し、「これは赤い色だ」「これは青い色だ」と判断します。つまり、色は脳が作り出しているとも言えるのです。

物体の色は、その物体がどの波長の光を反射するのかによって決まります。例えば、リンゴが赤く見えるのは、リンゴが赤い波長の光を反射し、他の波長の光を吸収しているからです。もし、すべての波長の光を反射する物体があれば、それは白く見えます。逆に、すべての波長の光を吸収する物体があれば、それは黒く見えます。

しかし、同じ波長の光でも、明るさによって色の見え方が変わることもあります。暗い場所では色がくすんで見えたり、明るすぎる場所では色が白っぽく見えたりするのはこのためです。また、色の見え方には個人差もあります。同じものを見ても、人によって微妙に色の見え方が違うのは、目の細胞の感度や脳の情報処理の仕方に違いがあるからです。

私たち人間は、「可視光線」と呼ばれる範囲の光しか見ることができません。可視光線以外にも、紫外線や赤外線など、様々な光が存在しますが、私たちの目では感知することができません。しかし、他の動物の中には、人間には見えない光を見ることができるものもいます。

様々な分野での活用例

あらゆる物質は、光を吸収したり反射したり透過したりする性質を持っており、その程度は物質の種類や光の波長によって異なります。この光の吸収の程度を波長ごとに表したものが吸収スペクトルと呼ばれ、物質固有の指紋のようなものです。そのため、様々な分野で活用されています。

まず、天文学の分野では、遠く離れた星の光を分析することで、その星の大気を構成する元素の種類や割合、星の温度、さらには地球から見て近づいているのか遠ざかっているのかといった運動状態まで知ることができます。まるで宇宙の探偵のように、光という手がかりから星の秘密を解き明かすことができるのです。

化学の分野では、吸収スペクトルは物質の特定や量の測定に利用されています。未知の物質が何であるかを特定する際にも、既知の物質の吸収スペクトルと比較することで、その物質を特定することができます。また、溶液の濃度を測定する場合にも、特定の波長における光の吸収量を測定することで、正確な濃度を知ることができます。化学分析には欠かせない技術と言えるでしょう。

医学の分野でも、吸収スペクトルは活躍しています。例えば、病院などでよく見かける指先に挟むタイプの機械、あれはパルスオキシメーターと呼ばれるものですが、これも吸収スペクトルを利用して血液中の酸素の量を測っています。血液中のヘモグロビンという物質は、酸素と結合している状態と結合していない状態とで、光の吸収の仕方が異なるという性質を利用しています。この技術により、手軽に血液中の酸素の状態を把握することができるようになりました。

環境の分野では、大気や水の汚れ具合を調べるために吸収スペクトルが用いられています。大気や水に含まれる有害物質は、それぞれ特有の吸収スペクトルを示すため、どの種類の有害物質がどの程度含まれているのかを分析することが可能です。私たちの健康を守るためにも、環境を守るためにも、吸収スペクトルは重要な役割を担っています。

このように、吸収スペクトルは、様々な分野で物質の性質を理解するための強力な道具として、広く役立っています。

身の回りの現象との関連

私たちの身の回りには、様々な色が溢れていますが、これらの色の多くは、物質が光を吸収する性質、つまり吸収スペクトルと深く関わっています。身近な例をいくつか見てみましょう。

まず、植物の葉が緑色に見えるのはなぜでしょうか。これは、葉の中に含まれる葉緑素という物質が、太陽光の中の赤い光と青い光を吸収し、緑色の光を反射するからです。つまり、葉緑素の吸収スペクトルは、赤色と青色の領域にピークを持っていると言えます。

次に、秋の紅葉を考えてみましょう。緑色の葉が鮮やかな赤色や黄色に変化するのは、葉緑素が分解され、カロテノイドなどの色素が目立つようになるためです。カロテノイドは、葉緑素とは異なる吸収スペクトルを持っており、青緑色の光を吸収し、赤色や黄色の光を反射します。そのため、秋になると葉の色が変化するように見えるのです。

空の色も、吸収スペクトルと関係があります。夕焼けが赤く見えるのは、太陽光が大気の中を通過する際に、空気中の塵や水蒸気によって青い光が散乱され、私たちの目に届きにくくなるからです。赤い光は散乱されにくいため、夕方の空は赤く染まります。同様に、昼間の空が青いのも、青い光が散乱されやすいという性質によるものです。

このように、吸収スペクトルは、植物の色や空の色など、私たちの身の回りの様々な現象に影響を与え、美しい景色を作り出しているのです。普段何気なく見ている景色も、吸収スペクトルという視点から見ると、また違った面白さが見えてくるのではないでしょうか。