実験日：2019年4月35日 実験番号：33 氏名：宇羽野 宗良

X．最初の実験

１．はじめに

実験に慣れる意味もあって、発光スペクトルの観察とホウ砂球の実験を行った。ここでは身近に目にする照明のスペクトルと炎色反応のスペクトルの観察について述べる。

２．方法

発光スペクトルはOcean Optics社製のRed Tide分光光度計を用いて測定した。炎色反応のスペクトルは、ホウ酸以外はステンレス線に用意された塩類の水溶液を付け、バーナーの炎に直接挿入することで得た。ホウ酸の炎色反応のスペクトルは、ホウ酸をメタノールに溶かし、それを燃焼させることで得た。

３．結果

３-１. 照明に用いられる光源のスペクトル

照明のスペクトルとしてLEDランプ・蛍光灯そして白熱球のスペクトルを測った。蛍光灯スタンドのスペクトルには種々の鋭い輝線が含まれている（図1）。一方、同じく白色とはいえ、室内灯の白色LEDのスペクトルは、450 nm付近の少し急峻なピークと540 nm付近の幅広い発光からなり、性格を異にしていた（図2。輝線は蛍光灯スタンドの光が映りこんだためで現れたものであり、輝線の波長は図１と一致した）。また白熱球は、680 nm付近を中心とする400 nm付近から900 nm付近にわたる幅広い発光スペクトルを示した。

図1. 蛍光灯のスペクトル 図2. LEDライトのスペクトル 蛍光灯

３-２. 炎色反応のスペクトル

バーナーを用いた炎色反応のスペクトルは、塩化ナトリウム（橙色）、塩化カリウム（薄紫）、塩化銅（緑・青）の３種について測定した。塩化ナトリウムと塩化カリウムについては、それぞれ590 nm付近と768 nm付近に鋭い輝線が現れた（図3と図4）。視認したところではカリウムの発光はナトリウムに比べて微弱だったが、スペクトル上のピーク高さは遜色なかった。またカリウムの768 nm付近の輝線は3 nm程度の幅で２本に分裂していて短波長側の強度が大きかった。

Naの発光 図3. ナトリウムの炎色反応 Kの発光 図4. カリウムの炎色反応

塩化銅のスペクトル（図5）は鮮やかな緑色だったが、ナトリウムやカリウムと違って、鋭い輝線ではなく幅の広い発光を示した。またピーク高さは低いものの、とさか型の複数のピークを持つ発光帯が430 nm及び490 nm付近に現れた。また塩化アンモニウムを混ぜると、430 nm及び490 nm付近の発光強度が増し、視認したところでも青い炎色反応を示した。ホウ酸を溶かしたメタノールの発光（図6）は550 nm付近にとさか型の複数のピークを持ったスペクトルを示した。

Naの発光 図5. 塩化銅の炎色反応 NH4Cl添加	図6. ホウ酸の炎色反応

４．考察

４-１. 人間の視覚と発光スペクトル

スペクトルでは全く様相のちがうLEDランプと蛍光灯の光が、目で見るだけではほとんど違いがわからない。またスペクトルでは同等の強度に見えるナトリウムやカリウムの輝線が目で見ると、圧倒的にナトリウムが強く見える。人間は多彩な色を見分けることができるわけだが、今回測定したスペクトルにはもっと多くの情報が込められているというべきだろう。

４-２. 炎色反応のスペクトル

原子からの発光は鋭い輝線として現れ、分子からの発光はその内部構造を反映して帯スペクトルになる。ナトリウムやカリウムの炎色反応、蛍光灯スタンドからの発光は原子からの発光であり、塩化銅やホウ酸の炎色反応は分子からの発光であると考えられる。しかしその分子がどのような分子かを、今回測定したスペクトルだけから決めるのは難しいようである。

５．感想

炎色反応は中学校でもやったが、原子のイオン化エネルギーだけでけりの付くものでないことが印象深かった。