赤外線: 私は目に見えないのですが、人間はどうやって私を見つけるのでしょうか?

目は外界から情報を得るための主な器官です。人間の目が受け取る光を利用することで、外の世界がどのように見えるかを知ることができます。

しかし、人間の目が電磁波を感知する能力には限界があります。目で観測できる電磁波は、自然界に存在する電磁波のごく一部にすぎません。これを「可視光」と呼び、残りの部分を「不可視光」と呼びます。赤外線は人類が発見した最初の目に見えない光です。その出現は人類の目を開かせた。目に見えない光の視界の下の世界は、とても素晴らしいです。

赤外線は物体の表面温度を直感的に知ることができます。実際、すべての物体は分子や原子などの多数の小さな粒子で構成されています。これらの小さな粒子は常に振動しており、電磁波、つまり光を毎分放出しています。物体の温度が高くなるほど振動が強くなり、それに応じて放射される光の構成も変化します。加熱された溶けた鉄はオレンジがかった赤色の光を発します。

鉄は室温では人間の目には光りません。今では、室温で鉄が発する光は人間の目では知覚できない目に見えない光であることがわかっています。目で感知できないのなら、どうやって発見できるのでしょうか?物語は一枚のガラスと温度計から始まります。

分光プリズムと温度計、赤外線が現れる

光の最も有名な分析と理解は、ニュートンの分光実験です。ニュートンは光学の熱心な愛好家であり、光学分野の重要な創始者でもあり、暗い部屋の小さな穴から太陽光が部屋に入るようにしました。プリズムを通過した後、光線はさまざまな色の光に分離されました。異なる色の光が別のプリズムを通過すると、色は変化しなくなります。

このことから、ニュートンは白色光は7色の光の混合であると信じました。望遠鏡におけるこの現象を避けるために、ニュートンは反射天体望遠鏡も発明しました。現在、世界中の大型天体望遠鏡のほとんども反射望遠鏡を使用しており、光がガラスに入るのではなく鏡で反射します。これにより、光が異なる色に分割され、解像度が低下するのを防ぐことができます。

この時点で、ニュートンによる光の構成に関する説明はすでに非常に完成されていると、ほとんどすべての人が考えています。しかし、そう思わなかった人が一人いました。それはハーシェルです。

ハーシェルの父親は天文学者でした。当然のことながら、彼は星の観察にも興味を持つようになり、光学研究者になりました。彼は天文学と写真の両方に多くの重要な貢献をしました。彼は土星と天王星の衛星に名前を付け、写真撮影のプロセスを改良し、「写真」という言葉を作り出した。

ハーシェルはどうやって赤外線を発見したのでしょうか?火は目に見えない熱を発することを人々は昔から知っていました。 1681年、実験者マリオットは、太陽光がガラスを通過するときに皮膚が感じる熱は、太陽に直接当たったときとは異なることを発見しました。ハーシェルはニュートンの光分散実験とマリオットのガラス実験を組み合わせて独自の実験装置を作り、赤外線の存在を発見した。

（画像出典：著者自作）

ウィリアム・ハーシェルは暗い部屋にプリズムを置き、太陽光がプリズムを通過した後、さまざまな色の光に分散できるようにしました。ハーシェルは、異なる色の光の位置に温度計を設置しました。彼はまた、目が光っていないように見える赤色光以外の場所にも温度計を設置しました。しばらくすると、赤い光の外側に置かれた温度計の温度が最も速く上昇していることに気がつきました。このことから、彼は赤い光の外側の領域に何らかの光があり、それが温度計の温度上昇を引き起こしているに違いないと推測しました。彼はそれを熱線と名付けましたが、この光は赤色光の範囲外にあることが発見されたため、赤外線とも呼ばれました。

赤外線は私たちの日常生活に深く関わっています

赤外線はどれくらい役に立つのでしょうか?物体に触れることなくその温度を知ることができます。

暗闇でも、あらゆる物体が赤外線を放射するため、赤外線画像装置は正常に使用することができ、救助、軍事などの分野で非常に役立ちます。赤外線撮影は天体観測において非常に重要です。現代の科学者は宇宙の物質の赤外線特性を観察します。可視光線と比較すると、赤外線は宇宙塵を透過し、地球外銀河に関するより多くの情報を伝えることができます。

(宇宙にある JWST 望遠鏡。赤外線撮影に使用。出典: wikipedia)

ガラスは相当量の赤外線を遮断できるのに、夏に太陽にさらされた車内がなぜ非常に暑いのか、以前も述べました。車の窓は車外からの赤外線が車内に入るのを遮りますが、車内の物体から放射される赤外線が車外に漏れるのも防ぎます。赤外線は車内で絶えず反射・集光され、車内の温度はどんどん高くなります。

目に見えない光の新世界への扉が今開かれる

赤色光の他に赤外線もあります。紫色の光以外についてはどうですか?はい、確かに紫外線は存在します。そして紫外線の発見も、科学者がハーシェルと同様の実験を行った結果です。ただし、温度計が写真フィルムに置き換えられました。紫色の光の外側のフィルムは黒くなり、紫外線がフィルムに照射されたことを示します。

人々の光に対する理解はますます深まり、赤外線加熱、紫外線殺菌、光学検出、天気予報など、さまざまな光学機器が私たちの生活の中に登場しています。さまざまな目に見えない光の助けを借りて、私たちの世界に対する理解はより包括的になりました。

参考文献:

[1] Ball SRS、Harkness W、Herschel SJ、et al.Essays in Astronomy[M].D.アップルトン＆カンパニー、1900年。

[2] Evans DS、Deeming TJ、Evans BH、et al.Herschel at the Cape;サー・ジョン・ハーシェルの日記と書簡、1834-1838[J]。Physics Today、1970年、23(11)。DOI:10.1063/1.3021829。

著者: 呉青、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所大学院生

査読者: 中国科学院高エネルギー物理研究所研究員 李明

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