カテゴリー「光の話」の84件の記事

2021年11月22日 (月)

レーマーが光の速さは有限と発表(1676/11/22)

 光の速さは秒速約30万キロメートル、1秒で地球を7周半することができる速さです。光はあまりにも速いため昔の科学者たちは光は瞬時に伝わると考えていました。近世においても、光の屈折について考察し虹ができる仕組みを解き明かしたフランスのルネ・デカルトや、天体の運動を考察しケプラーの法則を導いたドイツのヨハネス・ケプラーも光は一瞬にして伝わると考えていました。しかし、光速が無限大である証拠は何もなかったのです。

 世界で初めて光速を測定したのはパリ天文台で働いていたデンマークの天文学者オーレ・クリステンセン・レーマーとされています。レーマーは1676年11月12日に光速の測定結果を発表し、光速を秒速22万キロメートルと求めたと言われています。ところが、レーマーは実際には光速は測定していませんし、光速の値を発表したわけでもありません。どうしてレーマーが世界で初めて光速を測定したことなったのでしょうか。

 レーマーがパリ天文台にやってきたのは1672年のことでした。このとき天文台台長を務めていたのはイタリアの天文学者ジョバンニ・カッシーニです。カッシーニは木星の衛星や土星の衛星を観測し天体観測で多大なる功績を残しています。

レーマーとカッシーニ
レーマー(左)とカッシーニ(右)

 当時はヨーロッパ諸国が海外進出を果たした大航海時代が終盤に差し掛かった頃でした。多くの航路が発見されて盛んに貿易が行われるようになると、船の安全な航行が求められるようになりました。そのためには正確な航海図と船舶が周囲に何もない洋上で自分の位置を正確に把握する方法が必要でした。

 位置は南北の位置を表す緯度と東西の位置を表す経度で求めることができます。南北の位置を表す緯度は水平線と太陽や北極星のなす角度から比較的簡単に求めることができます。一方、東西の位置を表す経度を求めるためには基準の位置と自分が存在する位置の時差を求める必要があります。当時は正確な時計がなかったため経度を正確に求めることはできませんでした。そのため、いかにして正確に時間を測るかが正確な航海図を作るための重要な鍵となっていました。

 ヨーロッパの多くの国が自国の天文台を基準にした海図を作成しようと経度を正確に求める方法の発明に懸賞金をかけていました。例えば、ガリレオは 1610 年に自作の望遠鏡で木星の4つの衛星を発見していますが、これらの衛星の食(衛星が木星の裏側に隠れる現象)が規則的に起こることから、世界のどこからでも確認できる標準の時計として使えると考え経度を求める方法を提案しています。しかし、この方法は詳細な観測データを必要としました。ガリレオの提案した方法はカッシーニによって実現されましたが、この方法は衛星の観測に時間がかかるという欠点がありました。この方法は地上で経度を求める目的には使えましたが、洋上で経度を求める目的には使えませんでした。

 レーマーはカッシーニのもとで木星の衛星の動きを調べていました。衛星イオの食が始まる時刻を調べているうちに、地球が木星の近くに存在しているときと遠くに存在しているときでは食が始まる時刻が22分ずれていることに気が付きました。

木星の衛星イオの食のずれ
木星の衛星イオの食のずれ

 レーマーはイオの公転周期は一定であることからこの現象は観測によるものと考えました。そして、光が一瞬で伝わるのであれば地球と木星の距離に関係なく食が始まるのは同時刻になるはずであり、この時間のずれは光が木星から地球に伝わる時間に関係しており、光の速度は無限大ではなく有限であるに違いないと結論づけました。そしてこの理論を1676年11月22日にパリの王立科学アカデミーで発表しました。

 実はこの現象はカッシーニも気がついていましたが、光速は無限大と考えていたため時刻のずれの原因を突き止めることはできていませんでした。そして、カッシーニはレーマーの光速は有限の値であるという主張を決して認めませんでした。そのため、レーマーの結論はフランスでは認められませんでした。一方、イギリスのニュートンやオランダの物理学者で後に光の波動説を唱えたクリティアーン・ホイヘンスはレーマーの考えを支持しました。

 さて一般にレーマーが求めた光速は秒速約 22 万キロメートルとされていますが、レーマーの興味は光速が有限であることを証明することだったようで値までは求めませんでした。レーマーの理論から光速の値を求めたのはホイヘンスです。

 ホイヘンスはレーマーが観測した食のずれの時間 22 分(1320 秒)と当時知られていた地球の公転の直径2億 9120 万キロメートルから、光速を秒速 22 万キロメートルと求めました。この値が実際の光速の値である秒速 30 万キロメートルからかけ離れているのは、地球の公転の直径や食が遅れる時間が不正確だったからです。現在、知られているそれらの値(ずれ:16 分 36 秒= 996 秒、公転直径:2億 9920 万キロメートル)を使って計算すると光速は秒速30万キロメートルに近い値になります。

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光速の測定実験は航海図の作成がきっかけだった

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2021年10月21日 (木)

あかりの日(1879年10月21日)

  10月21日は「あかりの日」です。1879年10月21日に米国の発明家トーマス・アルバ・エジソンが実用的な白熱電球の開発に成功したことに因んで昭和56年(1981年)に日本電気協会・照明学会・日本照明工業会が制定しました。

 エジソンが白熱電球のフィラメントとして日本の竹を使ったという話は有名ですが、エジソンが最初に作った実用的な白熱電球のフィラメントは木綿を炭化させたものでした。この電球の寿命はわずか約45時間でしたが、当時としては実用的な寿命の長い白熱電球でした。エジソンは1880年1月27日に電球の特許(米国特許0223898)を取得し、ほぼ同時に英国でも同じ内容の特許(英国特許4576)を取得しています。

エジソンの白熱電球の米国特許の図(1880年)
エジソンの白熱電球の米国特許の図(1880年)

 よくエジソンが白熱電球の発明者と言われますが、白熱電球そのものを発明したのは英国の科学者ジョセフ・スワンです。スワンは1860年に白熱電球を発明しています。しかし、スワンの電球は寿命が短く大電流を流さなければならないなど実用的なものではありませんでした。

 エジソンの白熱電球の電源電圧は100Vで複数の電球を並列に接続してもそれぞれ独立に点灯と消灯ができました。またソケットをねじ式にすることによって電球が交換できるようになっていました。また配電設備を構築し、白熱電球を広く普及させました。

 エジソンは配電システムを含めた実用的で効率的な白熱電球の開発に成功したのです。

白熱電球を発明したのは誰?|エジソンが電球の特許取得(1880年1月27日)

白熱電球の原理と仕組み

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2021年10月 2日 (土)

望遠鏡の日(1608年10月2日)

 1608年10月2日、オランダの眼鏡技師ハンス・リッペルハイは遠くの物を近くに見ることができる道具の特許をオランダ政府に申請しました。このとき、やや遅れてヤコブ・メチウスも同様な道具の特許を申請しました。しかし、原理が単純であり発明に当たらないとされ特許は受理されませんでした。しかしながら、リッペルスハイの道具はよくできていて、オランダ政府はリッペルスハイに報奨金を与え、製造・販売を許可しました。このことから、このことからリッペルスハイが望遠鏡の発明者とされ、10月2日は「望遠鏡の日」とされています。

ハンス・リッペルスハイ
ハンス・リッペルスハイ

 オランダ政府は当初この道具の軍事利用を考え秘密にしようとしましたが、リッペルスハイの道具はあっという間にヨーロッパ中に広まりました。なかでもイタリアのガリレオ・ガリレイはリッペルスハイの望遠鏡を改良し天体望遠鏡を作りました。1609年に天体観測を行い、木星や土星の衛星、月面のクレーター、太陽の黒点の動き、金星の満ち欠けなどを発見しました。

 ガリレオが1611年に科学アカデミー・アッカデーミア・デイ・リンチェイ(山猫学会)にこの道具を献上したとき、メンバーのジョヴァンニ・デミシアニがこの道具をギリシャ語の「τῆλε(tele、遠く)」と「σκοπεῖν(skopein、見る」からTelesocpe(望遠鏡)と名付けました。

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2021年4月24日 (土)

アワビの煮貝

 久しぶりにアワビの煮貝を戴きました。程よい塩加減でそのままわさびをつけて美味しく戴きました。私たちが普段食べているアワビの実は貝柱で、板前さんなどはホシと呼びます。お皿の真ん中にあるのはアワビの肝でこれがまた美味しいのです。

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 アワビの貝殻は平たい形をしていて二枚貝の片側がなくなったような姿をしていますが巻貝の仲間です。貝殻の表側を良く見ると、巻きが入っていることがわかります。殻には「呼水孔」と呼ばれる穴が空いており、ここから海水を取り込んだり、糞を出したり、卵を生んだりします。

 生まれてまもないアワビのベリジャー幼生は普通の巻貝と同じような貝殻を持っており(Google 画像検索結果)、貝殻の入り口には蓋を有しています。幼生は付着する場所を見つけるとそこに固着して姿を変え成長に伴って良く知られているアワビ貝の形に成長していきます。

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2021年3月19日 (金)

3月19日はカメラ発明の日?(1839年3月19日)

 国内の多くのサイトで3月19日を「カメラ発明記念日」や「カメラ発明の日」とし、フランスのルイ・マンデ・ダゲールが1839年3月19日に「ダゲレオタイプ」という写真機を発明したことに由来しているると説明しています。

 しかしながら、カメラの歴史を調べても3月19日がカメラ発明の日と考えられるような史実は見つかりません。ダゲレオタイプのカメラの発明の歴史を調べてみると、フランスのパリで1839年8月19日に開催された科学アカデミーで発表され、その発明が公式に認めらています。

ダゲレオタイプのカメラ(1839年)
ダゲレオタイプのカメラ(1839年)

 海外のサイトでは「World Photography Day」を8月19日としていて、3月19日は見つかりません。国内で3月19日をカメラ発明の日としているのは、過去にそれなりの権威のあるメディアが8を3と見誤って紹介した可能性もありそうです。

 しかし、なぜこのような間違いが起きたのか調べていますが、有力な情報は未だ見つけられていません。

 カメラ発明の日についてはココログ 光と色とカメラ発明の日は3月19日ではなく8月19日」をご一読ください。

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2021年3月 2日 (火)

通勤途中で虹を発見

 通勤途中にバスの中から空を見たら大きな虹がかかっていました。さすがにバスの中から写真は撮れないので、バス停を降りたところで撮影しました。デジタルカメラを持ち合わせていなかったのでスマホで撮影しました。虹の左側をとらえた写真と右側をとらえた写真は別の場所で撮影しています。

虹の写真
虹の写真

 さて、虹の帯が綺麗に見えていたので写真を拡大してみました。

虹の色の帯
虹の色の帯

 虹の色は7色といいますが、これはニュートンが恣意的に決めたもので、実際には5色ぐらいしか確認できないことが多いのですが、この虹は紫・藍・青・緑・黄・橙・赤の7色が確認できました。

 虹に関する詳しい解説は光と色と THE NEXT「虹の神話ー虹ができる仕組み①」から始まる記事をご覧ください。虹ができる仕組みやニュートンが虹を7色と決めた経緯や世界各国で虹の色は何色(なんしょく)とされているかなどを解説しています。

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2021年3月 1日 (月)

アンリ・ベクレルが放射線を発見(1896年3月1日)

 ドイツの物理学者ヴィルヘルム・レントゲンがエックス線を発見したのは1895年のことでした(夜明け前「エックス線の発見(1895年11月8日)」)。レントゲンの論文を読んだフランスの物理学者アンリ・ベクレルはエックス線が蛍光を生じるのであれば、蛍光物質もエックス線を生じるではないかと考え、蛍光物質とエックス線の関係を調べる実験に着手しました。

 1896年2月、ベクレルは強い隣光を出すウラン化合物を2枚の非常に厚い黒紙に包んで遮光した写真乾板の上におき数日間日光をあてたところ、写真乾板が感光していることを発見しました。そして、27日にフランス科学アカデミーにおいて、ウラン化合物から写真乾板を感光させるXエックス線のような光線が出ていることを報告しました。このとき、ベクレルはこの現象は日光やウラン化合物が出す燐光と関係があるのではないかと考えていました。

 ベクレルは追試のため前述と同じ写真乾板を準備しました。しかし、天候が悪い日が続いて実験が出来ないため、写真乾板を黒い紙で包み、紙の上にウラン化合物とマルタ十字の形をした文鎮を重しとして乗せて机の引き出しにしまっておきました。

 1896年3月1日、ベクレルは、この写真乾板にマルタ十字が写っていることを発見しました。このことから、ベクレルは写真乾板の感光には日光や燐光は関係しておらず、ウラン化合物から出たエックス線と似た光線によるものと考えました。そして、その光線について、エックス線の実験のような特別な装置を使っておらずウラン化合物自身から直接出ていることからエックス線とは違うものと考え、ベクレル線と名付けました。その後、この放射線はエックス線と同様に空気を電離することがわかりました。このウラン化合物は放射能を持つ放射性物質であり、ベクレル線とはウラン化合物から出ている放射線だったのです。

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ベクレルとウラン化合物で感光した写真乾板(下側にマルタ十字)

 キューリー夫妻がラジウムを発見したのは、このベクレルの発表に関心を持ちベクレル線を出す物質の研究を続けた成果とされています。その後も放射性物質の研究を続けたベクレルは、キューリー夫妻とともに1903年ノーベル賞を受賞しています。

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2021年1月27日 (水)

白熱電球を発明したのは誰?|エジソンが電球の特許取得(1880年1月27日)

 白熱電球の発明者と言えば、一般に米国の発明家トーマス・アルバ・エジソンという説が広まっていますが、世界で初めて電球を発明したのはイギリスの科学者ジョセフ・スワンです。スワンは1840年代後半から、真空のガラス球にカーボン紙のフィラメントを備えた電球の実験に取り組みました。1860年に電球を点灯させることに成功していますが、最初の電球はサイズが大きくて真空度も十分ではなく、肝心の寿命が短かかっため実用的ではありませんでした。

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スワン(左)とエジソン(右)

 スワンは1875年に真空度を改善したガラス球と炭化した糸のフィラメントで新しい電球を作成しました。この電球は寿命も改善されていましたが、フィラメントの抵抗が低かったため、明るい光を灯すためにはたくさんの電流を流す必要がありました。

 スワンは1878年12月18日にニューカッスル・アポン・タイン化学協会の講演で電球の点灯実験を公開しました。この実験ではスワンが電流を流し過ぎたため電球が壊れてしまいました。1879年2月3日にニューカッスル・アポン・タイン文学哲学協会の講堂で700人の聴衆の前で電球の点灯実験を成功させました。これが世界最初の電球の点灯とされています。電球の寿命は十分ではありませんが、当時としては実用的な40時間に達していました。

 スワンは1880年1月2日にフィラメントと電球を真空にする方法に関する特許(英国特許18)を取得しました。その後、綿を処理して羊皮紙の糸のフィラメントを作る方法を考案し、1880年11月27日に特許(英国特許4933)を取得しました。そして、自身の電球がいろいろなところで使用されるようになると、1881年にスワン・エレクトリック・ライト・カンパニーを設立し、電球の生産を開始しました。同年、ニトロセルロースから導電性繊維を作る工程を開発して特許を取得し、以降はセルロースのフィラメントを使用するようになりました。スワンの電球は大きな電流を供給しなければならないために非常に高価な銅線が必要で、さらに寿命を伸ばすことが容易ではなく、効率的とは言えませんでした。

 さて、電球が開発される以前はアーク灯が普及していました。アーク灯は明るすぎて屋内での利用には難があったため屋内ではガス灯が使われるようになりましたが、爆発の危険性など安全性に問題がありました。そこで、多くの科学者や技術者が電灯の発明に取り組みました。その中にはエジソンもいました。

 エジソンは屋内で利用できる寿命の長い白熱電球の発明に取り組むためニューヨークにエジソン・エレクトリック・ライト・カンパニーを設立しました。そして、スワンの電球の点灯から約8ヶ月後の1879年10月21日、木綿糸を炭化したフィラメントを用いた電球の点灯に成功しています。この電球の寿命は45時間でした。エジソンは1880年1月27日に電球の特許(米国特許0223898)を取得し、ほぼ同時に英国でも同じ内容の特許(英国特許4576)を取得しました。

 スワンは自身が発明した電球は既存の技術を使ったものと考え、電球そのものの特許は取得していませんでした。エジソンの会社が英国で電球の販売を開始すると、まもなくエジソンとスワンの間で電球に関する特許紛争が生じました。スワンの特許が電球そのものに対してのものでありませんでしたが、英国ではスワンの電球の発明の実績は誰もが認めるところでした。一方でエジソンの特許は電球に関する幅広い請求範囲をカバーするものでした。最終的にエジソンとスワンは和解する道を選び、1883年にエジソン&スワン・ユナイテッド・エレクトリック・カンパニーを設立しました。

 この通称「エディスワン」と呼ばれた会社はスワンが発明したセルロースのフィラメントを使用した電球を製造・販売していました。その一方で、エジソン自身は、より寿命が長く、効率的な電球を開発するため、フィラメントの材料を探し続けました。ある日、扇子に使われていた竹をフィラメントとして使ってみると、電球が200時間も光り続けたのです。エジソンは世界中に人を派遣し、電球のフィラメントとして最適な竹を探しました。そして、およそ1200種類の竹の中から、京都の八幡男山の真竹を選びました。真竹のフィラメントは径が細く、電灯の点灯と消灯がたやすくなりました。また、電球の寿命は2450時間にもなりました。八幡の真竹は1894年まで電球のフィラメントとして使われました。京都府八幡市の石清水八幡宮にはエジソンの記念碑、京阪電鉄の八幡市駅前にはエジソンの像が建てられています。

 エジソンは電球のフィラメントの抵抗を高くすることでの電球の電源電圧を100Vとし、電球を並列に接続しそれぞれ独立して点灯と消灯ができるようにしました。また、電球を取り付けるソケットをねじ式にして自由に交換できるようにした。こうして、エジソンは実用的で効率的な電球の開発に成功したのです。

 さて、スワンが電球の特許を出さなかったのは、スワンやエジソンが電球の発明に取り組む前から多くの電球が開発されてきたからですが、商用の実用的な電球を初めて開発したのはスワンであり、その電球をさらに発展させたのがエジソンです。

 現在の白熱電球のフィラメントにはタングステンが使用されています。タングステンのフィラメントは1904年にオーストリアのアレクサンダー・ユストとフランツ・ハナマンによって発明され、1906年に商品化されました。その後、改良を重ねて、効率が高く、寿命が長い電球が開発され、私たちの暮らしに明かりを灯してきたのです。現在では白熱電球は発光効率が悪いため、製造・販売が中止され、電球型蛍光灯やLED電球が主流になっています。

 白熱電球の仕組みついては、ココログ 夜明け前白熱電球の原理と仕組み」、LEDの仕組みについては、光と色とLEDが光る仕組み(1)」に解説がありますので、ご興味のある方はご一読ください。

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あかりの日(1879年10月21日)

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2021年1月 6日 (水)

カラーの日(1月6日)

 毎年1月6日はカラーの日です。1(い)月6(ろ)日の語呂からカラーを通して元気に活躍してもらうことを目的として一般社団法人ビジネスカラー検定協会が制定したもので、一般社団法人日本記念日協会が認定しています。私たちは色に満ち溢れた世界を毎日見ています。長い歴史の中で、色は私たちに心理的な影響を与えてきましたし、私たちの生活を豊にしてくれます。私たちが色をどのように捉えるのか、色をどのように利用すると良いのかなどの色彩の研究が進められいます。カラーの日は色に関する仕事に従事する人たちの活躍を祈念する日でもあります。

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色相

 さて、色の本質は何か。科学的な興味はまずそこに向けられるでしょう。そんなことを、つべこべ考えるのも色の重要おはなしです。

 古代ギリシャの自然哲学者アリストテレスは、色は光と闇のはざま、つまり白と黒の間に生じると考えました。アリストテレスは太陽光が大気中や物質中を通ることによって暗くなり、その過程で黄、赤、紫、緑、青の色が生じると考えました。これをアリストテレスの変改説(変容説、変化説)といいます。

 アリストテレスの変改説は多くの学者に支持され、17世期の中頃まで信じられていました。色の本質が何かを突き止めたのはイギリスの物理学者アイザック・ニュートンです。ニュートンは1666年に太陽光をプリズムで分解する実験を行い、無色の太陽光が赤から紫までの色の光からなることを確認しました(ニュートンのプリズムの実験)。

 ニュートンは一連の実験結果を1704年の著者『光学』にまとめています。ニュートンは無色の太陽光をプリズムに通すと赤から紫までの色の光に分解できること、分解した光を集め直すと無色の光に戻ることを示しています。そして、プリズムで分解して得られた1つの色の光はそれ以上は分解できないこと、そうやって取り出した2つの色の光を混ぜ合わせると別の色が生じること、物体に当てる光の色によって物体の色が変化することを明らかにしました。そして、ニュートンは光そのものには色がついていないと述べています。ニュートンの実験と検証により、長らく信じられていたアリストテレスの改変説が否定され、色がどのように生じるのかが突き止められたのです。

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プリズムによる光の分散とニュートンの実験

 ニュートンの実験からも分かる通り色が光や物質に関連して生じることは明らかです。しかしながら、光そのものに色がついているわけではありません。また、物体の色は当てる光の色によって変わりますから、物体そのものにも色がついているわけでもありません。光や物体は、色を生じる役割を果たしているものの、色が見える本質ではありません。

 私たちが認識している色はヒトの色覚が認識しているものです。ココログ「光と色と」の「色とはなんだろう 色が見える仕組み(4)」の説明の通り、私たちの色覚の働きなしには色は存在しません。つまり、私たちが認識している色というのは、眼に入ってくる光の情報をもとに脳内で作り出しているものです。もともと光や物体には色はついていません。脳が見えているものに色をつけているのです。私たちが見ている色とりどりの景色は私たちの脳内で作り出されているバーチャルな世界と言えるでしょう。

 光と色のおはなしについては、ココログ「光と色」および別館「光と色と THE NEXT」に記事をアップしています。興味のある方は是非ご一読ください。

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2020年11月 7日 (土)

ケミカルライトはなぜ光る?

 コンサートやパーティーなどで使われるケミカルライト。最近はいろいろな色のものが手に入るようになりました。ダイソーで光の三原色の赤・緑・青のケミカルライト買ってきました。さっそくスティックをボキッと折って点灯させてみましたが、なかなか綺麗な色が出ます。

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 ケミカルライトの発光原理は化学発光(ケミカル・ルミネッセンス)です。化学反応で高エネルギー(励起状態)となった分子が元の安定したエネルギー(基底状態)に戻るときに、その差分のエネルギーを光として放出する現象です。科学捜査で血痕の分析に使われるルミノール反応も化学発光によるものです。

 ケミカルライトのスティックの中には2つの液体が別々に入っていて、スティックを折ることによって混合します。片方の液体は光のエネルギーの元になる物質と色の元になる色素と反応を進めるための物質(触媒)の混合物です。もう片方の液体は過酸化水素水です。

 この2つの液体を混合すると、シュウ酸ジフェニルが分解し、高エネルギー状態の物質ができます。その高エネルギー状態の物質が色素を高エネルー状態にします。色素が高エネルギー状態から元の安定したエネルギー状態に戻るときに、その差分のエネルギーを放出し、そのエネルギーに相当した色の光が出てきます。


(光のエネルギーの元になる物質+色素+触媒)+(過酸化水素水)

 →高エネルギー状態の物質+色素

 →高いエネルギー 状態の色素

 →安定なエネルギー状態の色素+差分のエネルギーに応じた色の光

 色素を変えることにより、差分のエネルギーが変えることができるので、異なる色の光を発光させることが可能です。また、光の三原色を出す色素を任意に混ぜると、異なる色を作り出すことができます。たとえば、赤・緑・青の色素を混ぜると白い光が出てきます。これは光の三原色の混色によるものですが、その原理については「光の三原色」と「色の三原色」|色が見える仕組み(7) で説明がありますので、興味がありましたら是非ご一読ください。
 

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