光の「波長」とは

光とは

私たちがものを見ることができるのは「光」があるおかげです。

今回は「波長」の話なので、「光は波である」という説に基づいて、光の「波長」による様々な性質を紐解いていきます。

波である光には波長がある

まずは,「波」と「波長」の関係について説明します。

下図に示すように、「波」には、「山」と「谷」が交互に存在します。
この時の「山の高さ」や「谷の深さ」を「振幅」、「山と山の間隔」または「谷と谷の間隔」を「波長」と呼びます。

光の振幅

振幅は「山の高さ」や「谷の深さ」で、光の強さを表しています。振幅が大きいほど光が強いことを示します。

光の波長

波長は「山と山の間隔」または「谷と谷の間隔」で、これによって光の色などの性質が変わります。

先ほどの図において、上の波は山と山の間隔が広く、下の波は狭くなっています。
上の波は「波長が長い」、下の波は「波長が短い」として区別します。

波長による光の分類

では、波長やそれによる性質によって光がどのように分類されるかを見ていきたいと思います。

私たちが、日常で体感する光の波長による性質の違いは「色」です。
人間が見ることのできる波長の範囲は、だいたい380nmから780nmで、この範囲を「可視光」と言います。
波長の短い光は紫色に、逆に長い光は赤色に見えることがわかっています。

では、この範囲より外の目に見えない光にはどのような性質があるのでしょうか？

19世紀の電磁気学の研究から、人間の目で見える光（可視光）は「電磁波」と呼ばれる波のごく限られた波長帯であることがわかりました。私たちが見ることのできない波長の範囲においても様々な性質を持った光が存在します。

可視光よりも波長の短い光

可視光から波長の短いところに目を向けると、最初に出てくるのは「紫の外側」という意味で「紫外線」と名付けられている光です。

そして、更に波長が短いところには、「X線」「γ線」があります。
それぞれの境目は次のように決められています。
・紫外線とX線の境：10nm（10-8m）
・X線とγ線の境：1pm（10-12m）

「X線」という名前は、発見された当時は「未知の放射線」とされたため、数学で「未知」を表す「X」から名付けられました。
また「γ線」は原子が崩壊する際に放出される放射線を、発見された順番に「α線」「β線」「γ線」と名付けていたことに由来します。

可視光よりも波長の長い光

逆に赤色よりも波長の長い電磁波の方も見て行きます。
最初は「赤の外側」という意味で「赤外線」です。780nmから1mm（10-3m）までを指します。

そして、赤外線よりも長い波長の電磁波はすべて「電波」と呼ばれます。
電波は通信で使われることが多い波長帯です。テレビやラジオ、携帯電話の通信もすべて電波で行われています。

光の波長毎の性質とアプリケーション

それぞれの波長の光（電磁波）がどの様に使われているのか、人体にどの様な影響があるのかを波長の長い光から順に紹介します。

・電波

主な使われ方	放送・通信、レーダー、GPS、電子レンジなど
人体への影響	電子レンジに使われる特定の波長で体温上昇

・赤外線

主な使われ方	ヒーターなどの熱源、焙煎、温度センサー、リモートセンシングなど
人体への影響	長時間浴びると低温やけどや色素沈着の症状が出る

・可視光線

主な使われ方	照明、植物工場、可視光レーザー通信など
人体への影響	サーカディアン・リズムの乱れなど

・紫外線

主な使われ方	殺菌、UVレジンの硬化、蛍光灯、ブラックライトなど
人体への影響	ビタミンD合成に必要、長時間浴び続けると皮膚の加齢進行や皮膚癌になる場合がある

・X線

主な使われ方	レントゲン、CT、X線顕微鏡、非破壊検査など
人体への影響	長時間または大量に浴びると細胞が破壊され、癌などになりやすくなる

γ線

主な使われ方	γ線滅菌、脳腫瘍除去など
人体への影響	長時間または大量に浴びると細胞が破壊され、命の危険がある

ここから、人体への影響は波長が短くなるにつれて影響が大きくなることがわかります。

一方、アプリケーションは、波長の長い電波は通信で使われることが多いのに対し、波長の短い紫外線、X線、γ線は殺菌などに使われるといいう特徴があります。

波長の長い電磁波が通信に使用されるのは、波長の長い光が、雨や霧などの障害物に強く、ビルなどでも反射されにくく、回折によって障害物の後に回り込む事も可能という特徴があるためです。
長波長の中でも、国際ラジオ放送は短波が、航空無線などは中波が、さらには潜水艦への通信には長波が使われたりします。

逆に波長の短い電磁波は、回折せず直進性が高いといいう特徴があります。
また、波長が短くなるほどエネルギーが強くなるという特徴もあり、電波よりも可視光線の方がレーザー通信など、通信の際の情報量も増やすことが可能です。

そして紫外線よりはＸ線が、Ｘ線よりはγ線の方がエネルギーはさらに強くなります。
そのため紫外線よりも短い波長は人体への悪影響が出ますので、細菌などを死滅させる殺菌にも使われます。
また、細胞組織を破壊できるほどのエネルギーを人の役に立つ治療として活用する例として、γ線による癌治療などもあります。

光の波長と分光

分光によって、「光を波長毎に分ける」ことが可能です。

ここまで述べてきたように光は波長毎に性質が異なるため、波長毎に分けられた光からいろいろなことを知ることができます。

• 特定波長での吸収、透過を観察することで成分を判別
• 人の目で見える色をより定量的に測定

最後に、可視光の光を分光する際に、最適な分光器をご紹介します。
測定したデータを同社のシミュレーション光源で再現することもできる優れた製品です。