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虹が見える仕組み

光をプリズムに通すと、その光に含まれている光の色に分かれます。
太陽光はもちろんのこと、蛍光灯や白熱電球から出る光、天体が放つ光も色々な色の光に分かれます。
ガラスなどの透明な物質で作られた三角柱のプリズムが手許に無い場合は、100円ショップなどで売っている望遠鏡や双眼鏡で明るい恒星や月を見てください(太陽は絶対見ないこと、玩具のような望遠鏡や双眼鏡でも失明します)。
星や月が赤や青い色で滲んで見えますが、これもレンズがプリズムになっているからです。

望遠鏡やカメラなどの光学機器では「色収差」と言って嫌われるもので、少し高級なものになると、何枚かのレンズを使って色収差を打ち消して目立たないようにしています。

光がなぜ分かれるかと言うと、光は粒子の性質を持っていますが、音のように波の性質も持っています。
そして、波長の短い光ほど持っているエネルギーが大きいために、性質の異なる二つの物質の間を通過するときにより大きく屈折するからです。
性質の違う二つ物質というのは、例えば、プリズムや望遠鏡のような場合は空気とガラス、川の中を覗き込む場合は空気と水になります。

光の波長の方は、私たちの肉眼で見える光、可視光で言えば、紫に行くほど波長が短くて大きなエネルギーを持っていますし、赤に行くほど波長は長くて持っているエネルギーが小さくなります。
ですから、空気中を進んできた太陽光が水やガラスに入るとき、また、水やガラスから出るときには赤色より紫色の方が大きく屈折します。

虹の場合は、下図のように空気中に漂っている水滴に太陽光が入るときと、水滴から太陽光が出るときに太陽光が屈折します。

上図で解るように、虹を見るためには太陽を背にして見える空に水粒が無ければなりません。
朝なら虹は西の空、夕方なら虹は東の空に見える訳ですね。

虹で簡単な天気予報が出来ます。
天気を左右する高気圧や低気圧は偏西風に乗って西から東に動いて来ますから、夕方、虹が見えたら西の空には水粒が多いということになり、時間が経ったらそれがやって来るから天気が悪くなると予想できます。

ところで、上図では水粒の仲で1度反射していますが、条件によっては2度反射しすることがあります。
このときは、虹の外側が赤から内側に向かって紫という通常の虹の他に、この虹の外側に虹の外側が紫で内側に向かって赤という逆の虹が見えます。

人工的に虹を作るのは簡単です。
晴れた日に太陽を背にして霧吹きなどで水粒を作ってやるだけです。
太陽光-水粒-視線の角度が40度ぐらいで見えるはずですが実験したり、運良く虹が見えたらスケッチしたり、写真に撮って角度を確かめてみてください。


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