透明な方解石を印刷した文字の上に置くと、条件によって文字が二重に見えます。紙に書いた文字が増えたのではありません。結晶の中で光の伝わり方が二通りに分かれ、異なる経路を通った光が届く現象です。これを複屈折と呼びます。まず「物が二つある」のか「一つの物から二つの像ができる」のかを分けてみましょう。
透明なら、何でも同じ見え方ではない
ガラス板、水、方解石は、どれも光を通すことがあります。しかし、透明という共通点だけで、内部を通る光の振る舞いまで同じとは言えません。方解石では結晶の方向と光の振動の向きの関係によって、光の伝わり方が異なります。中学受験段階では難しい数式を使うより、「同じ点から来た光が別の経路で目に届く」と図でつかむところから始めましょう。
すべての方解石の標本で、いつでも鮮明な二重像が見えるわけではありません。透明度、厚さ、向きなどの条件があります。白く濁った標本や、細かな結晶の集まりを見て二重像がないからといって、直ちに方解石ではないとは判断できません。観察しやすい透明な単結晶を使った演示と、どんな石でも同じ結果が出るという主張は別です。
色を分けるプリズムとは、問いが違う
プリズムで白い光を分ける実験では、色による進み方の違いに注目します。ここで扱う複屈折では、一つの色の光でも異なる二つの伝わり方を考えます。「光が分かれた」という言い方だけで、全てを虹の色の分離と説明してしまわないようにしてください。紙の黒い文字が二つ見える観察と、白い光が帯状の色に分かれる観察は、記録している変化が違います。
一方、偏光板を組み合わせると、二つの像の見え方を調べる手がかりが得られます。偏光板を回したときに片方が暗くなる様子から、二つの光の振動方向が異なることを考えられます。単に暗くなっただけで文字が消えたとは言いません。光の経路や通し方を変えると見える像が変わる、という順番で読みます。
例題1 見えた点の数は、印刷した点の数？
紙に離して印刷した黒い点が3個あります。この演示では、一つの点につき二つの像ができ、別の点の像とは重ならないものとします。方解石を通して見える像はいくつですか。紙に実際にある点はいくつですか。
答え・解説： 像は3×2＝6個、紙の点は3個です。数えている対象が異なります。結晶を取り除けば、もとの3個の点を確かめられます。もし像が重なっていたら、見えて区別できる個数は6個より少なくなる場合があります。二倍という計算は「重ならない」という問題の条件まで含めて成立しています。
観察の向きを変えると、手がかりが増える
結晶を回して像の位置を観察する場合、紙と目の位置をそろえることが大切です。紙まで一緒に回したり、顔を動かしたりすると、どの操作によって像が変わったのかが分かりにくくなります。紙の点の位置を基準に、結晶の向きだけを変えた記録を作ると、見比べやすくなります。
図には「目」「結晶」「紙」の順序も書いておきましょう。文字の上に置いた標本を上から見ている図なのか、光を横から通している装置なのかで、描く線の意味が変わります。模式図の二本の線は、結晶の中に二本の空洞があることを表しません。光の経路を見やすくするための線です。
例題2 像の間隔を比べるには
同じ点を同じ方解石で観察しました。写真Aでは二つの像の間隔が画像上で12mm、写真Bでは18mmでした。ただし、Bの写真はAの1.5倍に拡大して印刷されています。実際の像の間隔が変わったと言えますか。
答え・解説： BをAと同じ倍率へ直すと18÷1.5＝12mmです。このデータでは間隔が広がったとは言えません。拡大して印刷した分だけ、測った長さも増えています。光学現象の変化と、写真の表示倍率による変化を切り離しましょう。比較図にスケールがある理由は、このような読み違いを防ぐためです。
一つの性質だけで、標本名を決めない
方解石の確認には、光学的な性質のほかにも、割れ方や硬さ、化学的な性質などの手がかりがあります。しかし、手元の不明な石へ自己判断で薬品をかける必要はありません。資料として与えられた性質を組み合わせ、どの候補と合うかを考えればよいのです。二重に見えるという面白さを、根拠を一つずつ確かめる練習につなげてください。
光の振動方向は偏光板の向き、色による違いはプリズムと分散で整理できます。
像の見え方を比べるときは、文字よりも小さな黒い点を目印にすると、重なりとずれを区別しやすくなります。太い文字では二つの像が一部で重なり、輪郭がぼやけたように見えることがあります。「二つに分かれなかった」という記録にも、像が重なった可能性が残ります。使った模様の形や線の太さも、観察条件として書いておきましょう。