１．分光とは
えっと、「分光」って何ですか？
簡単にまとめると、混ざり合った光の色をもう一度分けることを「分光」と言います。
１．光の色が混ざる加法混色について
混ざり合った光をもう一度分けるってどういうこと？
「分光」について理解してもらうために、分光の前々段階である色が混ざる現象について説明をしますね。
まず光の色が混ざってできる混色の様を加法混色と言い、いろんな光の色を混ぜるほどに、だんだんと白色に近づいていきます。
例えば、赤色の光と青色の光を混ぜると紫色になります。
また、赤色の光と緑色の光を混ぜると黄色になります。
そして、赤色の光と緑色の光と青色の光を混ぜると白色になります。
光の色の混ざり方である加法混色のより詳しいことは、リンク先にまとめてありますので、ぜひそちらを参考にしてください！
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色の三原色と光の三原色の詳細
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光の色の混じりあいについて理解していただけたでしょうか。
２つ以上の光を混ぜると違う色になることが分かっていただければ大丈夫です。
さて話を分光に戻しますが、分光とは先ほどまでの光の混じりあいと逆になります。
つまり、紫色から赤色や青色を再び取り出すこと、もしくは黄色から赤色と緑色を再び取り出す作業を分光と言います。
２．様々な分光の方法
では、実際にどのような方法を利用すれば、混じりあった色をもう一度分けることが出来るのでしょうか。
ここからはその方法を紹介していきます。
１．光の屈折・プリズムを利用した分光
混じりあった光の色をわかる手段はいくつかありますが、一番有名な光の屈折（プリズム）を利用した方法から解説をしますね。
光の屈折とは？
「光の屈折」とは、光が空気中からガラスや水中など別の物質に侵入する際に、下のイラストのように光の道筋が折れ曲がる現象のことです。
もちろんガラスや水中から空気中に戻る際にも光の屈折は起こります。
さてこの光の屈折ですが、イラストのように青色だと大きく屈折して、赤色だと少しだけ曲がらない特徴があります。
もう少ししっかり説明すると、青色など波長が短い光ほどより屈折して、赤色など波長が長い光ほど屈折しにくくなります。
このことを応用して赤色と青色を混ぜて紫色になった光の屈折を考えてみましょう。
さきほどお伝えした通り、青色は屈折しやすく、赤色が屈折しにくくなります。
そのため赤色と青色を混ぜて作った紫色の光の屈折をさせるとイラストのようになります。
紫色だった光が青色の光と赤色の光に分かれます。
この光の屈折を利用して分光する道具が『プリズム』になります。
プリズムはまさに光の屈折を利用して分光をしている道具となります。
２．回折・回折格子を利用した分光方法
次に『光の回折』を利用した分光方法について説明をしていきますね。
赤色と青色の光の波長
光の回折について理解するためには、赤色と青色の光の波長を知っておくとより理解が深まります。
イラストを見ると分かりますが、青色は赤色に比べて、波の感覚が狭い、つまり波長が短いことが分かります。
※赤色と青色以外のもいろんな色がありますが、まずは赤色と青色のみの場合で説明を進めていきます。
回折現象について
次に回折現象を確認していきます。
回折現象とは、光が細いスリットを通過すると、その後広がりを持って進行していく現象のことです。
イラストを見てもらうと分かりますが、赤い光も青い光もスリットを通過した後、直進ではなく広がりをもって進行しているのが分かります。
このような広がりを持ちながら進行する現象を『回折』と言います。
話しは変わりますが、赤色と青色の波の往復の数（振動数）が同じであれば、赤色の方がより広がっていることもあわせて覚えておいてください。
波の重ね合わせ
海の波が２つ以上重なった場合、その重なり方によって強めあったり弱めあったりしますよね。
光も同じで、２つ以上の光がちょうど重なり合うと光が強くなり、重なりがずれると弱めあいます。
回折と波の重なり
ここまで『赤い光と青い光の波長の違い』『回折現象』『波の重なり』について解説をしてきました。
これらのことをふまえて、スリットが１つではなく、２つあった場合の実験を見ていきましょう。
スリットが2つの場合、それぞれのスリットから広がりをもった赤い光の波が出てきます。
すると、それぞれの波がお互いに干渉しあって、強めあうところと、弱めあうところが出てきます。
上のイラストだと、太い線同士もしくは点線同士のところは強めあっているところです。
逆に太い線と点線が重なっているところはお互いに打ち消しあっているところになります。
それらを分かりやすくするため、強めあうところは赤い点で、打ち消しあっているところは黒い点で表現してみました。
さらにそれらの点を結んであげると、スリットと反対側の壁面に強く光るところとそうではないところが出てくるのがわかるでしょうか。
この２重スリットの実験を赤色と青色で見比べてみます。
いかがでしょうか。
青色に比べて赤色の方が強く光っている点同士の距離が長いことが分かるでしょうか。
つまり、赤色は２重スリットの中心から遠くに離れて強めあっている点が出来て、青色は中心から近いところで強めあっているということになります。
このようにして回折格子を利用した分光が可能になります。
３．『屈折』と『回折』のメリットとデメリット
ここまで『プリズム（屈折）』を利用した分光方法と、『回折格子（回折）』を利用した分光方法について説明をしてきました。
さて、このようにふたつの分光方法を並べると、どちらの方が有利とか不利とかそういった話題になりがちです。
ここでは簡単にそれぞれのメリットとデメリットを紹介をします。
光の屈折・プリズムの場合
プリズムに光を通せば簡単に分光ができる。
プラスチックやガラスなど、プリズムの素材によっては通さない波長が存在する。
小学生の実験などで簡単に分光実験を行いたい場合はプリズムを使うとよいでしょう。
回折・回折格子の場合
素材に影響されることなく、どの波長も精度よく分光することができる。
回折格子の位置と測定位置を調整しないと、精度よく分光できない。
小学生高学年以上で、色によって波長が異なることを調べたい場合回折格子の方がよいでしょう。
「分光」とは混じりあった光をもう一度ばらばらにすることだよ。
色によって屈折の仕方や回折による広がりの違いを利用して、光の色を分けているということだね！
４．分光・分光器の必要性
光の色を分ける必要ってあるのかな？
見えている色だけで十分じゃないかな？
光の色で混色ができるという現実は人間にとって不都合なことでもあります。
その不都合なことについて、ここからは赤色と緑色の混色を例に考えてみましょう。
赤色と緑色を混ぜることで黄色の光を作り出すことができることは加法混色のところで説明をさせていただきました。
一方で、世の中には単色の黄色い光も存在します。
加法混色や光の三原色の話しを聞くとどうしても勘違いしてしまいますが、わざわざ赤色と緑色を混ぜなくても黄色の光を作り出すことはできます。
実はここに先ほどお伝えした不都合なことが存在します。
それは、人間は「混色で出来た黄色」と「単色の黄色」を見分けることが出来ないというとです。
「それのどこが問題なの」と思われる人もいることでしょう。
実際、普通に生活している範囲内で、混色の黄色と単色の黄色を区別できなくても特に問題はありません。
しかし、科学研究の範囲になると話は変わってきます。
黄色だと思っていたのに、実は赤色と緑色の混色でしたというのは、致命的なうっかりミスです。
見えている色は単色なのか、それとも実は混色なのか。
人間が認識している色の限界についてを知っているだけでも、色に対しての接し方が変わってくるのではないでしょうか。
人間は単色の黄色と混色の黄色を区別をすることができない。
だから、光の色をわける分光が必要なんだね！
３．分光で出来ること
分光って役に立つのかな？
ここまで、光の色を分ける分光の方法を説明してきました。
次にこの分光という現象を利用することでどのようなことができるのか、そのいくつかの事例を紹介します。
１．LEDの光と蛍光灯の光を分光で識別
まずは、同じ白色のように見える「LED」「蛍光灯」を分光器を通して見てみましょう。
それぞれの光を分光すると、このような結果になります。
LEDは緑色が少ないようですが、いろんな色がまんべんなく含まれているようです。
それに比べて、蛍光灯の光はより特徴的です。
すべての色があるわけではなく、特定の色のみで白色を再現していることがわかります。
前の章で、人間には単色の黄色と混色の黄色を区別できないことを説明しました。
黄色ではないですが、実際に同じような白色に見える光を分光器越しに眺めてみると、本当に使われている色に違いがあることがわかります。
２．気体の光を分光で識別
実は気体も光らせることができます。
「気体が光るってどういうこと？」
と驚かれる人もいるかもしませんが、
蛍光灯と同じようなものだと考えていただければ大丈夫です。
今回は水素と窒素と酸素の分光に挑戦をしてみました。
水素スペクトル
最初に水素の光を見てみましょう。
水素の光は赤色の光が相対的に強いようです。
窒素スペクトル
次に窒素の光を見てみましょう。
光っている色の感じは水素と似ているような感じがします。
ただ、分光器を通すと水素とは全く違う結果となっており、紫外線に近い光が相対的に強いことが分かりました。
酸素スペクトル
最後に酸素の光を見てみましょう。
ここまでの水素や窒素と違い、部屋を暗くしないと見えないぐらいの光しか確認できませんでした。
このように発光体のスペクトルを調べることによって、その中に含まれている気体も調べることができます。
３．吸収スペクトルを利用した水素の識別
水素・窒素・酸素それぞれに特有の光り方があることがあるように、それぞれの気体には「特定の波長を吸収する特徴」もあります。
例えば水素の場合、可視光領域においては410nm・434nm・486nm・656nmの光を吸収します。
仮に太陽光のスペクトルが紫色かか赤色まで、
まんべんなく存在する以下のイラストの通りだったとします。
この太陽光を、水素がある空気中を通過させます。
すると、水素が存在する空気を通過した太陽光のスペクトルは、以下の通りに見えます。
410nm・434nm・486nm・656nmのところに暗い線があります。
なぜこのような暗い線があるのでしょうか。
それは、水素に光を吸収されたからです。
空気中には水素以外にも酸素や窒素も存在するので、実際には水素による暗線以外にも多くの暗線が存在します。
ここで重要なのは、
暗線を調べることによって、空気中に存在する気体を調べることが出来るということです。
発光スペクトルだけではなく、吸収スペクトルについても知ると、分光という技術の奥深さが理解できるね！
３．まとめ
１．分光は色による屈折のしやすさの違いを利用しているよ！
２．分光器を利用ことで光の中にある本当の色を調べることができるよ！
３．光っているいろだけではなく、無くなっている色からも物質の特定ができるよ！
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