光を閉じ込めろ！傘袋とレーザーで作る「魔法のチューブ」実験

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

前回、傘袋（かさぶくろ）を使って、空が青く夕焼けが赤くなる「光の散乱」の実験をご紹介しましたね。あの感動的な夕焼けの色と、今あなたがスマートフォンやパソコンで見ているインターネットの光が、実は同じ「光」の不思議な性質でつながっているとしたら、驚きませんか？

今日は、あの時使ったのと同じ傘袋が、今度は「光ファイバー」に変身します！

光ファイバーって、なあに？

みなさんは「光ファイバー」と聞いて、何を思い浮かべますか？ 教室で生徒たちに聞くと、たいてい目線がふっと上に行き、眉間にしわが寄って、首をかしげます。ピンとこないんですね。そこで実際に実物を見せて、端から光を入れると、もう片方の端がピカッと光る様子を観察させます。すると…

「あっ！クリスマスツリーのやつだ！」

と思わず声が漏れます。

そう、最近はキラキラと美しく光るクリスマスツリーの装飾として、とても身近になっているようです。

でも、光ファイバーの本当のすごさは、そこだけではありません。私たちの生活を支える超高速インターネットの通信や、お医者さんが体の中を見る内視鏡（胃カメラなど）にも使われている、まさに現代の「魔法の糸」なんです。その魔法の秘密こそ、光が外に漏れ出ないようにする「全反射（ぜんはんしゃ）」という現象。光をギュッと繊維の中に閉じ込めて、どこまでも遠くに運ぶ技術です。

でも、この「全反射」って、言葉だけ聞いてもちょっと分かりにくいですよね。 そこで、あの傘袋の出番です。簡単なモデル実験で、光が「閉じ込められる」瞬間を体験してみましょう。

科学のレシピ：傘袋光ファイバー！

用意するもの：

• 傘袋（なるべく透明なもの）
• 石鹸（ハンドソープの「キレイキレイ」がおすすめ。その他、台所用洗剤や入浴剤でも可）
• 水
• LEDライト
• レーザーポインター（実験の主役です！）

手順：

１　傘袋いっぱいに水を入れます。ここに石鹸を水にとかしたもの（キレイキレイならそのまま）を「本当にごくわずか！」溶かします。まず１〜３滴で一度やめて、以下の実験をしてみて、見えにくかったら少し足す、という進め方がベストです。

２　部屋をできるだけ真っ暗にします。ワクワクする瞬間ですね。

３　傘袋の端からレーザーポインターの光を入れます。

結果：

まず、水の中にレーザーの「道筋」が見えるはずです（見えない場合は石鹸水をもう少し入れます）。なぜ道筋が見えるのでしょう？ これは、石鹸水が「コロイド溶液」という状態になっているからです。目には見えないほど小さな石鹸の粒子（コロイド粒子）が水の中に浮かんでいて、そこにレーザー光が当たると光があちこちに散乱（らんさんらん）します。この現象を「チンダル現象」と呼びます。

前回の夕焼けの実験（レイリー散乱）も散乱でしたが、あれは空気の分子という「もっと小さな粒子」による散乱でした。粒子の大きさで光の散乱の仕方が変わるなんて、面白いですね！

※石鹸水が濃すぎると、光が手前で散乱しすぎてしまい、奥まで届きません。絶妙な「うすさ」が成功の鍵です。

さて、いよいよ本番です。レーザーを入れる角度を変えてみましょう。傘袋の壁面に対して、浅い角度（入射角を大きく）でレーザーを入れていくと…ある角度から、光が外に漏れ出なくなり、傘袋の中をジグザグに反射しながら進んでいくのが見えます！

これが「全反射」です！

光が「水」の中から「空気」中に出ようとするとき、角度が浅すぎると、空気の「カベ」にすべて跳ね返されてしまうのです。まるで鏡のように。 本物の光ファイバーは、この「全反射」が必ず起こるように、精密に設計されているから、光（＝情報）を閉じ込めたまま、何キロメートルも先まで送ることができるんですね。

逆に、入射角が小さい（壁に対して垂直に近い）と、光は傘袋の壁を突き抜けて外に出てしまいます（これを「屈折」といいます）。もちろん一部は反射もしますが、光がどんどん漏れてしまうので、遠くまでは届きません。

教科書で「全反射」の図を見たり、問題を解いたりする前に、まずはこの「見てわかる」体験をさせてあげたいですね。自分の手で光を操り、光を「閉じ込める」感覚。この体験が、物理への興味を一気に引き出してくれます。

傘袋は透明なものと少しくもったものがありますが、実験にはぜひ透明なものを使いましょう。雨の日にスーパーなどでもらう透明な傘袋で十分試せます。（もちろん、実験用にいただく際は、お店の人にひとこと断ってからにしましょうね！）

たくさん実験したい！という場合は、浅草橋のシモジマのような包装用品専門店に行くと、業務用の傘袋が販売されています。これなら気兼ねなく、何度も挑戦できます！

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