温度と光の原理：こたつは何故暖かいのか？どうして色が見えるのか？

リテラシー

2018.12.142023.12.13

初出：2016/12/27　Vol.204　温度とは何か？　光とは何か？
改稿：2023/12/13

Joker

空はこんなに青いのに・・・

POKA

何？チェレンコフ光が見たいのかね！

くられ

見えたら死ぬ光じゃん（笑）

Joker

それにしても、光に付いている色って考えてみればどうしてああ見えるんでしょうね。

くられ

そりゃー、電磁波の波長の長さによってという奴だが・・・たまにはその辺、少し細かく説明してみようか。

POKA

はっはっは。この辺、波長の長さはエネルギー、つまりパワーにも関係してくるからな！　ここはひとつ、ガンマ線で加熱する超電子レンジの開発を・・・

くられ

いやそれこそ死ぬじゃろ（笑）

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温度と光の原理
こたつは何故暖かいのか？
光・電磁波の波長の長さ
「見える」「見えない」の線引き
色があるのも可視光が関係する
偏光を利用すると面白い現象が起こせる
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温度と光の原理

温度とは何か？　光とは何か？

空がどうして青いのかに近い、根本的な質問です。端的にお答えすると、

温度とは分子の震動、光とは電磁波の可視光領域

となりますが、そうしてドヤってても仕方ないので、今回はその意味を説明していきましょう。

こたつは何故暖かいのか？

物体は熱というエネルギーを受け取ると分子自体が振動します。

熱湯の方が冷水より早く砂糖が溶けるように、ある程度分子自体が震えて、安定した状態から分子の振動が多い状態の方が、反応しやすくなります。多くの化学反応の反応開始に加熱が必要なのもこのためです。

熱は多くのエネルギーの形の中で最も生じやすいものです。

例えば赤外線などの電磁波が当たると多くの分子でストップして波長の長い電磁波が分子を振動させる、これが熱です。

故に、こたつの赤外線は当たった部分がすぐ暖かくなる訳です。波長が小さければ、人間の体の奥まで光が届くと、そう言えます。

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光・電磁波の波長の長さ

人間の体の奥までといえば、特に、真空紫外線やＵＶＡ、ＵＶＢが皮膚細胞の遺伝子まで届いてしまう事があります。そして当たり所が悪くて、修理が間に合わない場合、皮膚ガンになってしまうとか、そういう事に繋がる訳ですね。

電子レンジに使われているマイクロ波も、根本的な原理は同じです。紫外線やガンマ線で加熱するのは不可能ではないが非効率的。そもそも熱を感じる紫外線とかガンマ線は死ねるわけですｗ

可視光も含めた電磁波を短い順に並べていくと、以下のようになります。

γ線・Ｘ線 → 真空紫外線 → 紫外線 → ＜＜可視光領域＞＞ → 赤外線 → 遠赤外 → マイクロ → 無線電波帯

多くの人は電磁波と光（可視光）を別物扱いしていますが、上記はすべて波長が違うだけで電磁波と呼べます。電磁波はエネルギーの波です。

「見える」「見えない」の線引き

だから例えば、可視光の領域は動物によってかなり違うため、「見える」「見えない」の線引きは動物によって異なるとも言えるのです。

電磁波は波の大きさによって性質が違うため名前が付けられています。だから、もしも「携帯の電波帯を見ることができる宇宙人」がいたとしたら、Wi-Fiはすごく明るく光って見えるだろうし、携帯とか眩しくて使ってられないかもしれません。

色があるのも可視光が関係する

また、「色がある」というのも、この辺の理屈が絡んできます。可視光領域の、波長の見えている色以外を吸収しているから、色というものが存在するのです。

放射線であるγ線などは波が小さいので物体を貫通しやすい。赤外線は適度な波長なので止まって熱に変わりやすい。無線波は波が超でかいので遮蔽物があっても回り込むことで通ったように見える・・・

このように、可視光とは違った挙動をしますが、基本的には電磁波と考えれば、言うほど恐れを抱く必要もないんじゃないかなぁ・・・と思えてくる訳です。

偏光を利用すると面白い現象が起こせる

そして、今当たり前のように流通している液晶ディスプレイも、光の波長というものが重要な要素になっています。

その辺を踏まえた上でちょっとした細工をしてやると・・・

レイユール先生登場の動画に出てくるディスプレイのように、そのままでは見えないけど、フィルターを通すと見える・・・みたいな事が出来たりします。

著者紹介

くられ

作家、科学監修。「科学は楽しい！」を広めるため科学書分野で20年以上活動。著作「アリエナイ理科」シリーズ累計5０万部突破。原作を務めるコミックス「科学はすべてを解決する!!」も50万部を超える。著作「アリエナクナイ科学ノ教科書」が第49回・星雲賞ノンフィクション部門を受賞。週刊少年ジャンプ連載「Dr.STONE」においては漫画／アニメ共に科学監修を担当。TV番組「世界一受けたい授業」「笑神様は突然に・・・」NHK「沼にハマってきいてみた」等に出演。ゲーム実況者集団「主役は我々だ！」と１００万再生を超えるYouTube科学動画を多数共同製作。独自YouTubeチャンネル「科学はすべてを解決する！」チャンネル約30万登録やTwitterフォロワー１6万人以上。教育系クリエイターとして注目されている。関連情報は https://twitter.com/reraku

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