白熱電球の光を分光器（プリズムなどで光を波長ごとに分ける装置）で調べると、赤から紫までの色が切れ目なく並んで見える。
一方、ナトリウムランプのように、高温の気体が出す光を分光器で調べると、色が切れ目なく並ぶのではなく、その気体の元素に特有の、とびとびのいくつかの波長の光だけが明るく見える。
このように、とびとびの特定の波長の光だけからなるスペクトルを何というか。
光の散乱・偏光・スペクトル
空が青く夕日が赤い理由（波長の短い光ほど強く散乱される）、偏光が光が横波である証拠であること、連続スペクトル・線スペクトルの違いを判定できる
前提
- 光の屈折率・全反射・分散 （高校物理 波動（知識））
この技能までの道筋（5 技能）
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一覧で見る（前提が先）
- 音の伝わり方と大きさ・高さ （中学理科 物理分野の用語と知識）
- 音の振動数と波形 （中学理科 光と音）
- 横波・縦波と波の要素 （高校物理 波動（知識））
- ホイヘンスの原理と反射・屈折・回折 （高校物理 波動（知識））
- 光の屈折率・全反射・分散 （高校物理 波動（知識））
説明
この技能では、光が小さな粒子に当たって散らばる「散乱」、光の振動の向きがそろう「偏光」、光を波長ごとに分けた「スペクトル」の三つを扱います。これらを使うと、空が青く夕日が赤い理由を説明できます。また、偏光が光が横波である証拠になる理由もわかります。さらに、光源の種類から連続スペクトルか線スペクトルかを判定できるようになります。選択式の問題で、正しい記述と誤った記述を見分けるときに使います。
なぜそうしてよいのか
【散乱】太陽光にはいろいろな波長の光が混ざっています。空気の分子は光の波長（約 〜）よりはるかに小さく、このように小さな粒子による散乱では、波長 の短い光ほど強く散乱されます（散乱の強さはおよそ に比例します）。昼は、強く散乱された青い光が空のあらゆる方向から目に届くので、空が青く見えます。夕方は太陽光が大気の中を長い距離進みます。そのあいだに青い光は横へ散乱されて減り、散乱されにくい赤や橙の光が多く残って目に届くので、夕日は赤く見えます。雲が白く見えるのは、水滴が光の波長より大きく、どの波長の光もほぼ同じように散乱するからです。
【偏光】横波は進行方向に垂直に振動するので、進行方向のまわりで「どの向きに振動しているか」という区別があります。縦波は進行方向に沿って振動するので、そのような区別がありません。太陽や電球からの自然光は、進行方向に垂直なあらゆる向きの振動を含んでいます。偏光板は特定の一方向の振動だけを通すので、通った光は振動の向きがそろった偏光になります。偏光板を 2 枚重ねて片方を回すと明るさが変わり、互いに にすると光はほぼ通らなくなります。振動の向きによって通り方が変わるのは横波だけに起こることなので、この現象は光が横波である証拠になります。なお、ガラスや水面で反射した光も一部が偏光しています。
【スペクトル】前提の技能で学んだ分散（波長によって屈折率が違うこと）を使うと、プリズムで光を波長ごとに分けられます。こうして並べたものがスペクトルです。高温の固体や液体（白熱電球のフィラメントなど）が出す光は、すべての波長がとぎれなく並ぶ連続スペクトルになります。太陽光のスペクトルも、ほぼ連続スペクトルです。一方、低圧の気体を放電管などで光らせると、元素ごとに決まった波長の明るい線だけがとびとびに並ぶ線スペクトルになります。また、連続スペクトルの光が温度の低い気体を通ると、その気体の元素が出す線と同じ波長の光が吸収され、暗い線（暗線）が現れます。これを吸収スペクトルといいます。太陽光のスペクトルに見られる暗線（フラウンホーファー線）がその例です。
手順
記述がどの現象（散乱・偏光・スペクトル）についてのものかを見分ける。
散乱の記述では、「波長の短い光（青・紫）ほど強く散乱される」に合っているかを確かめる。空の青は散乱された青い光、夕日の赤は青い光が散乱で除かれて残った赤い光、と対応させる。
偏光の記述では、「偏光は横波にしか起こらないので、光が横波である証拠」に合っているかを確かめる。偏光板 2 枚を互いに に重ねると暗くなることも基準にする。
スペクトルの記述では、光源で判定する。高温の固体・液体の光は連続スペクトル、低圧の気体の発光は元素に特有の線スペクトル、連続光が低温の気体を通ると発光線と同じ波長に暗線、と判断する。
すべての選択肢をこの基準と照らし合わせ、合うものを選ぶ。
例題
光の性質に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 空が青く見えるのは、波長の長い光ほど空気の分子によって強く散乱されるからである。
イ 光が偏光することは、光が縦波であることを示している。
ウ 低圧の水素を封入した放電管の光をプリズムで分けると、水素に特有の波長の明るい線がとびとびに並んだスペクトルが見られる。
エ 白熱電球の光をプリズムで分けると、とびとびの明るい線だけが並んだ線スペクトルが見られる。
例題の解答
手順 1：アは散乱、イは偏光、ウとエはスペクトルについての記述である。
手順 2（ア）：空気の分子による散乱では、波長の短い光ほど強く散乱される。空が青いのは、波長の短い青い光が強く散乱されるからである。「波長の長い光ほど」は逆なので、アは誤り。
手順 3（イ）：偏光は、振動の向きが進行方向に垂直な横波にしか起こらない。したがって、偏光は光が横波である証拠になる。「縦波」としているイは誤り。
手順 4（ウ・エ）：低圧の気体を放電で光らせると、元素に特有の線スペクトルになるので、ウは正しい。白熱電球の光は高温の固体（フィラメント）が出す光なので、連続スペクトルになる。したがって、エは誤り。
手順 5：正しいものはウである。
答え: ウ
よくある誤り
夕日が赤いのは「赤い光が強く散乱されるから」としてしまう誤り。正しくは、散乱は波長の短い光ほど強い（散乱の強さはおよそ に比例）。たとえば の青い光は、 の赤い光の 倍ほど強く散乱される。長い道のりの途中で青い光が横へ散らされて減り、残った赤い光が目に届くので、夕日は赤く見える。
偏光を「光が縦波である証拠」としてしまう誤り。正しくは、縦波は進行方向に沿って振動するので振動の向きの区別がなく、偏光は起こらない。偏光が起こることは、光が進行方向に垂直に振動する横波であることの証拠である。
自然光を偏光板 1 枚に通し、その偏光板を回すと明るさが変わるとしてしまう誤り。正しくは、自然光はあらゆる向きの振動を含むので、1 枚の偏光板を回しても透過光の明るさは変わらない。2 枚重ねて片方を回すと明るさが変わり、互いに にするとほぼ暗くなる。
吸収スペクトルの暗線を「その元素が出さない波長」としてしまう誤り。正しくは、暗線はその元素が発光するときの線スペクトルと同じ波長に現れる。たとえば、ナトリウムの気体は自らが出す黄色の線（波長約 ）と同じ波長の光を吸収する。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
光の性質について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 光が空気中からガラス中に入ると、光の速さは小さくなり、波長は短くなるが、振動数は変わらない。
- イ 晴れた日の空が青く見えるのは、太陽光が大気中の分子などによって散乱されるとき、波長の短い青い光ほど強く散乱されるためである。
- ウ 真空中での光の速さは光の色（波長）によって異なり、赤色の光は紫色の光より速く進む。
- エ 自然光を偏光板に通すと偏光が得られるのは、光が横波であるためである。
- オ 光ファイバーは、屈折率の大きい中心部と屈折率の小さい周辺部の境界で、光が全反射をくり返して進むことを利用している。
光の性質について述べた文として最も適当なものを、次のア〜カから 1 つ選べ。
- ア 全反射は、光が屈折率の小さい媒質から屈折率の大きい媒質へ進むとき、入射角が臨界角より大きいと起こる。
- イ 自然光を偏光板に通すと、特定の方向に振動する光だけが透過する。このような偏光の現象は、光が横波であることを示している。
- ウ 晴れた日の空が青く見えるのは、空気中の分子によって、波長の長い光ほど強く散乱されるためである。
- エ ガラスの屈折率は光の波長によって異なり、赤色の光に対する屈折率は、紫色の光に対する屈折率より大きい。
- オ 高温の固体が出す光のスペクトルは、とびとびの明るい線が並ぶ線スペクトルになる。
- カ 光が空気中からガラス中に入ると、光の速さと振動数はともに小さくなる。
太陽光や電球の光では、光の進む向きに垂直な面内での電場の振動の向きが、あらゆる方向にわたっている。この光を、進む向きに垂直な面内の特定の 1 つの方向に振動する光だけを通す薄い板 P に通した。P を通り抜けた光の進路上に、P と同じ性質をもつ板 Q を P と平行に置き、光の進む向きを軸として Q だけをゆっくり回転させた。すると、Q を通り抜けた光は明るくなったり暗くなったりをくり返し、P と Q の向きが ずれたところでほとんど見えなくなった。
この実験から、P を通り抜けた光は、進む向きに垂直な面内の特定の 1 つの方向にだけ振動していることがわかる。また、このような現象が起こることは、光が横波であることの根拠になっている。
P を通り抜けた光のように、振動の方向が特定の方向にかたよった光を何というか。漢字で答えよ。
この技能の次に学べること
- ボーアの水素原子模型とエネルギー準位 （高校物理 原子（知識））
- 偏光の表し方とマリュスの法則 （大学物理 光学）
- 斜め入射とフレネルの式 （大学物理 電磁波と電磁場）