白い光を三角柱のガラスへ通すと、スクリーンに赤から紫へ広がる帯が現れます。ガラスに絵の具が入っているのでしょうか。そうではありません。白色光に含まれるさまざまな波長の光が、プリズムを通るときに異なる向きへ曲がり、分かれて届きます。この分かれ方を分散といいます。
「透明な物だから、入った光が同じ方向にそのまま出る」と思っていると、屈折と分散の両方が見えなくなります。透明とは光を通す性質についての言葉です。光の道筋が曲がらない、すべての波長で曲がり方が等しい、という意味までは含みません。
色の帯は、入ってきた光からできる
一般的なガラスのプリズムで可視光を分けると、赤い側より紫の側の光の方が大きく曲がります。ただし、図の紙面で上が赤か下が赤かは、プリズムの置き方や光の入る向きで変わります。「上は赤」と丸暗記するより、入射した向きを延長し、そこからどの光が大きく向きを変えたかを比べましょう。
光の帯には連続した色の変化があります。七色の名前は整理に便利ですが、七本の線だけが出るということではありません。白色光と呼ばれる光も、光源によって含まれる波長の強さが違います。見た目が白くても、分けたときの分布が全く同じとは限らないのです。
図は白色光が分かれる向きを示した説明用の模式図で、実際の角度や色の幅を再現したものではありません。プリズムの内側から外側へ出る境界でも屈折しています。一本の直線が途中から突然七色に塗り替わる、と読むのではなく、含まれていた光が別々の道筋になったと読みます。
プリズムと赤いフィルターは役割が違う
プリズムは波長によって進む向きを分けます。一方、赤いフィルターは主に赤い側の光を通し、ほかの波長の光を弱めます。したがって、白色光を赤いフィルターに通した後でプリズムへ入れても、取り除かれた光がプリズムの中で新しく作られるわけではありません。
実物のフィルターには幅をもった透過の範囲があり、赤い光だけを完全に選び取るとは限りません。例題で「赤い光だけを通す理想的なフィルター」と指定したら、その条件の中で考えます。理想化した条件と、実物の細かな性質を混ぜて答えを変えないようにしてください。
また、プリズムを通した光をもう一度適切に重ねると、白く見える光に戻すことができます。色がついた物質を取り出す実験とは異なり、光の成分と重なり方を扱っています。赤や青の絵の具を混ぜる経験だけを当てはめると、この点で行き詰まります。
細いすき間を通して光を入れる意味も考えておきましょう。幅の広い光をそのまま入れると、少しずつ違う位置から出た色の帯が重なって、境目が見えにくくなる場合があります。細くする操作は、光に色を足すためではなく、分かれた位置を見分けやすくするためです。明るいか暗いかだけで実験の良し悪しを判断せず、何を読み取りやすくしたいのかを確かめます。
例題1：赤い光だけを入れたら
架空の実験で、白色光を「赤い光だけを通す」と指定された理想的なフィルターに通し、その光をプリズムへ入れました。スクリーンに七色の帯が必ず現れるという説明は正しいでしょうか。プリズムで新しい色の光は生じないものとします。
答え・解説： 正しくありません。入射する光が赤い光だけという条件なので、プリズムを通っても青や紫の光が新たに現れることはありません。赤い光の道筋は曲がります。「光を曲げること」と「複数の波長が別々の方向へ分かれること」は区別します。赤い光の幅までゼロかどうかは、この設問では求めていません。
例題2：位置の差を、角度の差にしない
同じプリズムと光源を使い、スクリーンまでの距離だけを変える模型です。出口から40cmのスクリーンでは、赤と紫の中心の間隔が4cmでした。光は出口からそれぞれ一定の向きに直進し、二本は出口の同一点から出る近似を用います。80cm先では何cmになりますか。プリズムで曲がる角度も2倍になったのでしょうか。
答え・解説： 間隔は8cmです。出口を頂点とする相似な図で、距離が2倍なので開きも2倍になります。ただし、二本の進む向きの差は同じです。スクリーン上の広がりが増えても、プリズムそのものの分散が強くなったとはいえません。実際の光が出口の異なる位置から出る場合には、この単純な比例は近似になります。
光学の図では、光源、光を通す物、受け取る面をひとつずつ確かめます。スクリーンを動かした結果を、プリズムの材質を変えた結果と同じ説明にしてはいけません。何を固定し、どこだけを動かしたかを図の横に書くと、変わった量と変わらない量が見つけやすくなります。
色の光と紙・フィルターと、水中の物が浅く見える屈折も合わせて読むと、通る光の種類と道筋を整理できます。