どうして空は青いの？「レイリー散乱」を理系学生ライターがわかりやすく解説
よぉ、桜木建二だ。今回は「レイリー散乱」という現象について紹介するぞ。突然だが、空はなぜ青いのか？ということを考えたことがあるだろうか。そのようなことは当たり前だと思う人も多いだろう。だが、空が青く見える理由を、物理学的に説明することができる。その時に重要となるのが、レイリー散乱という概念だ。ぜひ、この機会にレイリー散乱について学んでくれ。
塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していくぞ。
解説／桜木建二
「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。
ライター／通りすがりのペンギン船長
現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。
光の散乱とは？
まず、レイリー散乱について詳しく学ぶ前に、散乱という現象について理解を深めておきましょう。物理学において、電子や中性子のような粒子が、そのほかの粒子に衝突または接近した場合に、進行方向が変わる現象を散乱といいます。光の散乱の場合、ある光が物質に入射した際、その物質を中心として全方向に光が放出されますよ。
光の散乱が生じる理由は次のように説明できます。光が物質に入射するという現象は、光子が物質に衝突すると考えることができますよね。このとき、物質を構成する分子や原子は振動するのです。分子や原子は、荷電粒子である陽子や電子から構成されています。そのため、分子や原子の振動に伴い、物質から電磁波が放出されますよ。この電磁波が、散乱した光の正体なのです。
また、光の散乱と光の乱反射を混同してしまう場合があるので注意が必要ですよ。光の散乱は、物質の内部で生じる分子や粒子の振動によって引き起こされます。一方、乱反射は物体の表面の小さな凹凸により、光が多方面へと反射される現象です。
桜木建二
光の散乱と光の乱反射の違いを理解しておけ。
レイリー散乱とは？
image by Study-Z編集部
レイリー散乱は、光の散乱の1つで、ある粒子に入射する光の波長が粒子径よりも十分に大きいときに生じます。この粒子の大きさと波長の大小を比較するために、粒子径パラメータαがよく用いられますよ。粒子径パラメータはα=2πr/λと表されます。このとき、πは円周率、rは粒子の半径、λは光の波長です。αが1未満であれば、レイリー散乱が観察できます。人間の目に見える光である可視光の領域では、空気を構成する酸素や窒素の分子に入射した場合に、レイリー散乱が生じますよ。
また、レイリー散乱では、粒子から見て光が入射した側とその反対側から放出される光の強度はほぼ等しいとされています。つまり、レイリー散乱では、全方向にまんべんなく光が放出されていることになりますよね。このような散乱を等方散乱といいます。そして、レイリー散乱にはもう一つの特性がありますよ。それは、散乱の前後で光の波長が変化しないということです。このような散乱のことを弾性散乱といいます。
桜木建二
レイリー散乱が生じる条件を理解しておけ。
＼次のページで「レイリー散乱と波長の関係」を解説！／
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