遠くの星の材料を、光から調べられると聞くと不思議です。星をすくって実験室へ運ぶ代わりに、届いた光を波長ごとに分けて調べます。その資料がスペクトルです。
このとき、肉眼で赤っぽい、青っぽいと感じる色だけで判断しているわけではありません。ある条件の元素は、特定の波長に特徴的な線を示します。線の位置の組み合わせを既知の資料と比べると、成分を調べる手掛かりになります。
全体の色と、分けた後の線は違う情報
見た目が似た色でも、光を細かく分けると中身が違う場合があります。いろいろな波長が混ざった光を、目では一つの色として感じるからです。全体の色だけを比べるより、分光した資料には詳しい情報があります。
スペクトルには、連続的につながるものや、特定の位置に明るい線が現れるものがあります。明るい背景に暗い線が見える吸収スペクトルもあります。まず図が発光を表すのか、吸収を表すのかを確認しましょう。
図は架空の元素A・Bについて、線の位置を比べる練習用です。実在の元素の波長を再現した図ではありません。横方向は波長に対応し、線の高さや太さで物質量を示しているわけでもありません。
一つの線より、組み合わせを確かめる
一本の線が同じ位置に見えたからといって、すぐに同じ元素と決めるのではなく、ほかの線も確かめます。測定の細かさや、複数の成分の線が重なる可能性も関係するからです。
入試の比較問題では、「この範囲で特徴的な線はすべて見える」「同じ尺度で示す」といった条件が置かれることがあります。その場合は、資料内の線の組み合わせを照合します。実際の研究では、温度や元素の状態なども含め、さらに詳しく解析します。
横軸の目盛りが違う二枚を、見た目の位置だけで重ねるのも危険です。写真上で同じ場所に線があっても、波長の数値が違うかもしれません。目盛りを合わせてから比較します。
例題1：二つの成分が混ざった模型
架空の資料で、元素Aの線は目盛り2と5、元素Bの線は3と7に現れます。未知試料には2・3・5・7の線があり、この範囲の特徴線はすべて検出できるとします。Aだけ、Bだけ、AとBの混合のどれと一致しますか。
答え・解説： AとBの混合と一致します。Aの2・5と、Bの3・7を合わせると、未知試料の組み合わせになるためです。これは示された候補と条件の範囲での判断で、世の中のあらゆる元素を除外した分析ではありません。
線が暗いことは、その物質がない意味ではない
発光スペクトルで明るい線を読む場合と、吸収スペクトルで暗い線を読む場合では、図の意味が違います。吸収線は、その波長の光が途中の物質に吸収されたことと関係します。暗いから、その成分が存在しないという読み方は逆になります。
同じ元素の発光と吸収では、対応する波長が手掛かりになります。ただし、観測される線の強さは条件によって違います。明るさだけを見て、元素の個数や重さへ直接置き換えるには、別の情報が必要です。
星のスペクトルでは、温度や運動などについても情報が得られます。本稿では成分の照合に焦点を絞り、線のずれから運動を求める計算などは扱いません。一枚の資料から、何を根拠にどの量を読むかを限定します。
例題2：見つからない線から、どこまで言える？
元素Cは目盛り4と8に線を示すとします。装置が記録できる範囲は目盛り1から6までで、未知試料に4の線が見つかりました。「8の線がないので、Cは含まれない」としてよいですか。
答え・解説： そうは言えません。8は装置の測定範囲の外で、あっても記録されないからです。一方、4の一本だけでCが確実にあるとも断定できません。測定範囲を広げたり、ほかの手掛かりを得たりする必要があります。
図の黒い線を、物体の模様と取り違えない
スペクトルに並ぶ線は、星の表面に描かれた縞模様ではありません。光を波長で分けた結果です。横軸が場所なのか波長なのかを確かめると、この混同を防げます。
身近な光源にも、異なるスペクトルがあります。比較資料を読む練習は、肉眼での色だけでは分からない違いを考える入り口になります。ただし、太陽を直接見るなどの観察は行わず、公開された分光資料を使いましょう。
色の付いた光と紙では反射・透過する光を、オーロラの発光では光が生じる場所を扱います。本稿の「波長ごとの線を照合する」という問いと分けてつなげると整理しやすくなります。
線を照合するときは、図を左右にずらして似た並びを探すのではありません。波長の目盛りを合わせ、その位置に線があるかを調べます。印刷された図の横幅が違っても、同じ波長なら同じ成分を調べる手掛かりになります。反対に、等間隔の線が三本見えるという形だけでは、波長の異なる三本を同じものと扱えません。例題の整数の目盛りは照合方法を練習するための架空の値であり、実在する元素の波長表として覚える必要はありません。