室内では白く見えるビーズが、屋外へ出すと色づくことがあります。紫外線に反応する材料を使ったビーズなら、目に見える光の明るさだけでは変化を説明できません。白いままのものと色づいたものを比べるとき、当てた光の種類、時間、温度、観察までの待ち時間を分けて考えます。
色が変わることと光ること
色づいたビーズが、それ自体で明るい光を出しているとは限りません。光を受けた材料の状態が変わり、見える色が変わる現象と、蓄光材のように暗い場所で発光する現象は別です。暗い箱へ入れたとき、目で色を読むためには照明が必要な場合もあります。実験で何を観察しているかを言葉にしてから比較しましょう。
材料によっては紫外線を遮ると時間とともに元の色へ戻ります。この戻りがあるため、外で照らした試料を室内へ運び、順番に見比べると、最後に読むものほど薄くなっている可能性があります。同時に同じ時間照射したというだけでは、観察条件までそろっていません。
比較の時計を二つに分ける
照射を始めてから終えるまでの時計と、照射を終えてから色を読むまでの時計を別々に記録します。たとえば一分照射して十秒後に読んだAと、一分照射して一分後に読んだBでは、同じ照射条件でも結果が違い得ます。透明な板の紫外線を防ぐ働きを比べたいなら、この二つの時間をそろえる必要があります。
色の数値化には基準となる色見本や測定器を使います。ただし数値が二倍だから紫外線量も二倍、と無条件には言えません。変化が頭打ちになる範囲や、もとの色へ戻る速さの影響があるからです。次の例題では、同じ温度で実測した対応表が与えられるものとして考えます。
例題1｜表の範囲内で判断する
同じビーズを同じ待ち時間で測ると、照射量0、1、2、4のとき、色の指標はそれぞれ0、3、6、8でした。未知の照射で指標6が得られました。この表から対応する照射量を答え、指標から照射量を全範囲で比例計算してよいか説明してください。
答え・解説：指標6は照射量2に対応し、全範囲を比例で計算してはいけません。 0〜2の範囲では照射量に対して指標が三倍ですが、量4では指標12でなく8です。したがって後半で同じ傾きを使えません。表にない値を扱う場合も、どの区間でどう補間してよいかの条件が必要です。
例題2｜時間差による見かけの逆転
板Aを通した後の指標は照射終了直後に8、板Bでは6でした。暗所へ移した後、指標が一分ごとに半分になる模型を考えます。Aを二分後、Bを一分後に読んだときの値はいくつですか。この測定だけからAの方が紫外線をよく防いだと結論できますか。
答え・解説：Aは2、Bは3で、防ぐ働きの比較には使えません。 Aは8→4→2、Bは6→3です。観察時だけを見るとAの方が薄いものの、最初の指標はAの方が大きい設定です。照射後の待ち時間がそろっていないため、材料の違いと戻る時間の違いが混ざっています。
光の通り道もそろえる
板の試験では、板を置かない対照、同じ厚さで材質だけ違う板など、何を比較するかに応じて条件を決めます。影に入ったものと日なたのものを比べたり、光源までの距離を変えたりすれば、材質以外の影響が入ります。透明に見える板が紫外線も同じように通すとは限らない点も、可視光との区別に役立ちます。
一度使ったビーズを次の試験に使うなら、最初の状態まで戻ったか確認します。前の試験の色が残っていれば、次の変化に上乗せされます。最初と最後の写真だけでなく、開始前の指標を記録しておくと、繰り返し実験を公平に比べやすくなります。
この教材は、紫外線の有無や条件の差を考えるためのものです。ビーズの色だけを使って日焼け止めの性能や人体への安全を断定するものではありません。中学入試の考察では、使った材料と表の範囲でどこまで言えるかを丁寧に区切ります。「色が濃かった」という観察から、照射量や遮蔽効果へ進むには、対応表と比較条件が必要だと説明できれば十分です。
対照のビーズも同時に読む
板を置いたビーズだけを一つずつ順番に調べると、その間に雲が通って照射条件が変わった可能性を排除できません。板なしのビーズを隣へ置いて同じ時間に照射すれば、その回に光源側がどう変わったかを比較しやすくなります。ただし二つのビーズが互いに影をつくらない位置に置くなど、配置もそろえる必要があります。
撮影して色を数値にする場合には、写真の明るさの自動調整にも注意します。暗い試料を撮るとカメラが露光を増やし、薄い色が同じ程度に見えるかもしれません。撮影条件や白い基準片をそろえることは、試料の違いと撮影の違いを分ける手立てになります。写真があるから条件が客観的に統一されたと即断しないようにしましょう。
温度が戻る速さに影響する材料なら、日なたで温まった試料と冷えた試料を同じ秒数後に読んでも、待ち時間の統一だけでは足りません。どの条件を揃えた実験表かを読み、その表の外まで換算を広げないことが大切です。色が変わるという身近な現象ほど、一つの原因にまとめず、照射・戻り・観察の三段階へ分けると説明が整理できます。
関連する記事でつなぐ
暗い所で光るシールは、光を反射しているだけ？｜蛍光と蓄光を時間で見分ける