真空の「深さ」が色を変える！？高電圧で輝く真空管の不思議な世界
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
真っ暗な部屋の中で、ガラス管がふわりと光る。青、ピンク、オレンジ……まるでオーロラのような光の変化。これは特殊な照明でも、CGでもありません。「真空の度合い」によって色が変わる、物理の実験です。今回は、真空管に高電圧をかけて起こる不思議な発光現象を、その仕組みとともにご紹介します。
真空管って何をするもの？
「真空管」という言葉を聞いたことがあるでしょうか。かつてラジオやテレビ、コンピューターの中に欠かせなかった電子部品で、現代のトランジスタやICチップの「先祖」にあたる存在です。真空管の基本的な仕組みはとてもシンプルです。ガラス管の中の空気を抜いて真空に近い状態にし、そこに電極を入れて電流を流すというものです。真空中では電子が空気の分子にぶつかることなく飛び回ることができるため、精密な電流のコントロールが可能になります。
真空度によって色が変わる理由
今回の実験では、真空度の異なる4本の管に高電圧をかけると、それぞれ異なる色で光るという現象が観察できます。こちらの動画をご覧ください。
一番左の放電管の色を見てみましょう。
二番目
３番目
４番目 白色に見えます。
なぜ色が変わるのでしょうか？そのカギは、管の中に残っている気体の種類と量にあります。電圧をかけると、電極からは高速の電子が飛び出します。この電子が管内に残っている気体の分子に衝突すると、分子のエネルギー状態が上がります（励起）。その後、分子がもとの状態に戻るときに光を放出するのですが、気体の種類によって放出する光の波長（＝色）が決まっています。
真空度が低い（空気が多く残っている）管では、窒素や酸素の分子が発光に関わるためピンクやオレンジがかった色に見えます。真空度が高くなるにつれ残留気体が減り、青白い光や紫外線に近い発光へと変化していきます。さらに真空度が極限まで高くなると、電子がガラス管の内壁に当たって蛍光（緑色の光）を発するようになります。これが「陰極線」と呼ばれる現象で、ブラウン管テレビの原理そのものです。つまり色の変化は、電子が何と衝突しているかを教えてくれるサインなのです。
こちらが装置の全体図です。
誘導コイルの怖さを体で知った日
この実験を行っていたとき、忘れられない出来事がありました。真空管について説明しながら実演していたところ、誤って誘導コイルの電極に触れてしまったのです。その瞬間、意識がほとんど飛びました。激しい衝撃とともに後ろへ吹っ飛び、しゃがみ込んでしまいました。実験を通じて何度も「高電圧は危険です」と伝えてきましたが、その日は自分自身の体で感電の恐ろしさを実感することになりました。
誘導コイルは一見小さな装置ですが、数万ボルト以上の高電圧を発生させることができます。美しい発光の裏には、扱いを誤ると非常に危険なエネルギーが潜んでいます。実験を観察するときは、安全な距離を保って見ることが大切です。
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