水の入った容器へ光を通したとき、横から光の筋が見える場合と、ほとんど見えない場合があります。筋が見えない方には、光が通っていないのでしょうか。そう結論づける前に、容器を通り抜けた先と、横から見ている目の位置を分けてみてください。
私たちが横から筋を見るためには、光の一部が進む向きを変え、目に届く必要があります。光が直進して先へ届くことと、道の途中が横から明るく見えることは、別の観察です。今回は、この二つを図で描き分けます。
横から見る目へ、どこで光が曲がったか
細かな粒子が分散している液体などでは、当たった光がいろいろな向きへ散らされます。その一部が横にいる観察者へ届くと、照らされた道筋が明るく見えます。こうした光の散乱によって道筋が見える現象を、チンダル現象と呼びます。
ここで、光の線そのものを目が横から直接つかんでいるわけではありません。図には、光源から容器へ進む矢印だけでなく、容器内から観察者へ向かう矢印も必要です。後者を省くと、見ている人に何が届いたのかが説明できなくなります。
水中の細かな粒子だけでなく、霧やほこりなどがある空気でも、光の筋を見られることがあります。物質が光を散らすという共通点はありますが、水の中と空気の中を同じ液体の例として扱わないようにします。光が通る場所と、その中にあるものを別々に書きましょう。
筋が見えなくても、先の壁は明るいかもしれない
透明な水や食塩水を日常的な条件で観察すると、光の道筋を横からはっきり見分けにくいことがあります。それでも、先の白い紙に明るい点が映れば、光がそこまで届いていることは確かめられます。
「横から検出できない」と「光が存在しない」は分けます。同様に、筋が見えなかったことだけで、粒子が絶対にないと断定することもできません。光源の明るさ、粒子の大きさや数、観察する角度、周りの明るさなどで見え方は変わります。
これは普通の水溶液がどんな条件でも全く光を散乱しない、という説明ではありません。ここで比較するのは、指定された条件で肉眼や測定器に見分けられる筋があるかどうかです。難しい用語を使う前に、何をどの方法で観察したかを押さえましょう。
例題1｜光が通っていない、でよい？
架空の観察記録です。同じ光源を容器AとBに順番に向けました。Aでは横から筋が見えず、Bでは見えました。容器の後ろに置いた白い紙には、どちらでも明るい点ができました。「Aには光が通らなかった」という説明は正しいですか。二つの観察を使って答えてください。
答え・解説： 正しくありません。Aの後ろの紙が明るくなっているので、光はAを通り抜けて紙へ届いています。一方、横から筋が見えなかったため、その条件では横方向へ届く光を十分に見分けられなかったと考えます。光の進む先での確認と、途中を横から見た確認を分ける必要があります。
Bの筋が見えたことは、容器内から横方向にも光が届いた証拠になります。ただし、それだけで粒子の材質や濃さを確定することはできません。結果に対応する説明の範囲を、問われたところまでにとどめてください。
例題2｜筋が明るい方が、必ず粒子が多い？
二つの液体を撮影すると、写真Pの方が光の筋が明るく写りました。Pは強い光源、Qは弱い光源を使い、カメラの設定も別でした。この写真からPの粒子数がQより多いと結論づけられますか。また、比較をやり直すなら何をそろえますか。
答え・解説： 結論づけられません。光源の強さが違えば、同じ液体でも散乱して目やカメラへ届く光の量が変わります。光源、容器、光を通す距離、見る角度、撮影の露出設定などをそろえます。粒子数による違いを調べたいなら、粒子の種類や大きさも同じ条件にする必要があります。
条件をそろえた後も、濃さを増やせば明るさがずっと同じ割合で増えるとは限りません。濃くなると、奥へ届く光が弱くなったり、何度も散乱されたりします。具体的な数量を求めるには、その条件で確かめた関係や、問題が与えた表が必要です。写真の明るさを見ただけで、濃度が二倍といった式へ進まないでください。
色が付いていることと、筋が見えること
青く透明な液体でも、道筋がはっきり見えるとは限りません。色はどの光を吸収・透過するかに関わり、横からの筋は散乱光が届くかに関わります。両者を別の観察欄にすると、「色があるから濁っている」という取り違えも防げます。
透明と無色の違いは、液体を見たときの二つの性質を整理しています。水と油の乳化では、小さな液滴が分散して白く見える場合を扱います。今回の図へ戻り、光源、液体中の粒子、観察者の三か所を指して説明してみてください。なお、光路の理解にレーザーを目へ向ける必要はありません。強い光源をのぞかず、図と記録で道筋を確かめましょう。