フラウンホーファー線を語る。

フラウンホーファー線とは

プリズムに太陽の光を通すと、七色に分解する。
この七色をよく見ると、所々に暗い線が現れる。
これがフラウンホーファー線だ。

ここでは、フラウンホーファー線について基礎から説明しよう。

光の色とスペクトル

光の実体は電磁波という波だ。
波の頂上から次の頂上までの距離を波長と呼ぶ。
電磁波の波長によって光の色は違ってくる。

視神経が、波長の長い電磁波をキャッチしたとき、人は赤さを感じ取る。
人間の視神経は「波長の違い」を「色の違い」として感じ取るのだ。

プリズムによる太陽光の分解
出展：The Department of Physics and Astronomy,The University of Iowa

光がプリズムを通過するときの屈折角は波長によって異なっている。
このため、太陽の光がプリズムを通過すると、光が波長ごとに分解され虹のパターンが出現する。

この虹のパターンをスペクトルと呼ぶ。

最初に光を研究したニュートンがスペクトルと呼んだのだ。

スペクトルが現れることから、太陽の光は様々な色(様々な波長)の光が合成されていることが分かる。
合成されていた光が、屈折角の違いによって波長ごとにバラバラにされたのである。

虹は七色と表現するが、太陽光のスペクトルを見ると、七色にくっきりと分かれているのではない。
紫から赤まで色が区切られることなく連続して少しずつ変化する。
このようなスペクトルを連続スペクトルという。

波長が少しずつ変化しているので屈折する度合いも少しずつ変化する。
このためスペクトルが連続スペクトルになるのである。

スペクトル中の暗線がフラウンホーファー線

太陽光のスペクトルを精密に観察すると、所々黒い線によって連続スペクトル分断されている部分がある。
ある波長だけ、狭く光が抜き取られているようだ。
太陽光は、連続スペクトルと言いながらも、実は不連続なのである。

このように連続スペクトルを分断する黒い線を暗線、またはフラウンホーファー線という。

矢印の部分がフラウンホーファー線
出展：The Spectroscopy Net

フラウンホーファー線は、研究者であるフラウンホーファー(1787-1826)の名にちなんだものだ。

フラウンホーファーは太陽スペクトルの中に570本の暗線を発見した。
さらに、この中で特に顕著な暗線に対しては、赤色側から波長の短くなる方向にA線、B線、C線、D線、E線、F線、G線、H線、K線と命名した。
つまり、フラウンホーファー線と言っても、多数の種類があるのである。

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フラウンホーファー線は、なぜ現れるのか？

ガス体はある特定の波長の光を吸収する。
どの波長の光を吸収するかは、そのガス体を構成する元素で決まる。

連続スペクトルを持った光がガス体を通過すれば、そのガス体を構成する元素に応じた波長が吸収されるので、連続スペクトルにフラウンホーファー線が現れる。

太陽の中心部では核融合反応が起こり、熱と光が放出される。

放出された光は連続スペクトルであるが、太陽の外層のガス体を通過するときに、特定の光が吸収されてフラウンホーファー線が生じるのだ。

元素とフラウンホーファー線

吸収される光は元素に固有である。
つまり、フラウンホーファー線を観察すれば、太陽を構成している元素が分かるのだ。(下表参照)
話は太陽だけにとどまらない。
遠方の恒星であっても、フラウンホーファー線を観察することにより、その恒星の構成元素が分かるのである。

フラウンホーファー線	元素	波長(nm)
A線	O₂	759.370
B線	O₂	686.719
C線	Hα	656.281
D₁線	Na	589.594
D₂線	Na	588.997
D₃線	He	587.565
E₂線	Fe	527.039
F線	Hβ	486.134
G線	Fe	430.790
H線	Ca+	396.847
K線	Ca+	393.368

フラウンホーファー線の注意事項

ここで、注意が必要だ。
A線、B線は酸素による吸収線であるが、これは太陽ではなく地球大気で生じた暗線なのだ。

太陽を発した光線は、宇宙空間を通り地球へと到達する。
このとき地球大気中の酸素が暗線を作ってしまうのである。
フラウンホーファーが暗線を研究した時点では、元素による吸収まで理解されていなかったのである。

もう一つ注意事項がある。
フラウンホーファー線のA線、B線・・・K線は、フラウンホーファーが波長の順にアルファベットを割り当てただけで、元素記号とは関係ない。

例えば、水素の原子記号はH、カリウムならばKである。
これと混乱し「H線は水素、K線はカリウムによる吸収」と誤認識してはならない。
フラウンホーファー線のH線もK線もカルシウムイオンによる吸収線である。

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