子ノ星教育社特製直視分光器の紹介－17－

子ノ星教育社特製直視分光器の紹介
坂元誠（子ノ星教育社）

分光器の構成要素は主に 2 点。ひとつは分散

1. はじめに数年前、筆者が公開天文台に勤務していた頃である。高校で講師をしていた知人が素子である回折格子、もう一つはスリットである（図 1）。

Facebook 上で波長が読み取れる安価な分光器はないものかと書き込んでいたのが目に入った。工作で作る直視分光器は物理実験工作の定番であり、ちまたにあふれかえっている（ただし、理科教育の範囲内だが）といっても過言ではない。本会でも、1998 年の年会において西村昌能氏が実践報告をおこなっている（1998 年天文教育普及研究会年会集録）。
理化学実験機器用品で販売される直視分光器の多くがプリズムを使用しているのに対して、これら工作で作られるものは、透過グレーティングシートを使用しているため、構造もシンプルでコストも安い。
知人は、透過グレーティングシートを用いた工作を前提にし、生徒全員に配布して実験観察をさせようと考えていたにちがいない。
海外の製品で、非常に良くできたものがある
図1のを知っていたので紹介はしたが、2,000 円/回折格子を使った直視分光器個以上とそれなりに値が張る物であった。値段だけの価値はあるとは思うが、10 セットも2.1分散素子買えば本格的なプリズム直視分光器が買えて光を分光するための分散素子には、プリズしまうのだ。残念ながら、要求に応えることムと、回折格子がある。プリズム分光は、光はできなかった。の波長によって屈折率が異なることを利用し公開天文台を退職し、天文教育に専念するて分光をおこなう。空気と異なる屈折率を持ために事業を立ち上げた筆者は、このことがつ媒体のなかに光を斜め入射させれば分光す忘れられず、奮起して波長目盛を備え、安価るのである。ただし、プリズムの分散は小さな直視分光器キットを開発し、世に出すことく、必要な波長分解能を得るためには像面まを決意した。

での距離を長くとるか、複数のプリズムを用いる必要がある。
一方、回折格子による分光は、プリズム分

2. 直視分光器の仕組み
最初に透過グレーティングを用いた直視分

光と比べ分光像は暗いものの、高い分散を得光器の仕組みを簡単に紹介しておこう。直視ることができるのが特徴だ。天体望遠鏡はも

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ちろん、実験室での分析用分光器もほとんどリット幅が重要な意味を持つ。その幅が、そが反射式の回折格子を用いている。ここではのまま線幅として表れる（図 3）。波長同定の直視分光器に用いられる透過式を前提としよ精度を高めるためにも、その幅が波長読み取う。

り限界に対して十分細い方が望ましい。

透過グレーディング（回折格子）は 1mm
中に 200〜1000 本程度の溝を切った透明シートである。波長の分散は単位長さあたりの溝数が多いほど大きい。回折格子が分光を起こす仕組みは、屈折ではなく光の回折と干渉を用いる（図 2）。

図3スリット幅と輝線幅

3．子ノ星教育社特製直視分光器の特徴
まず、装置の外形は、型紙が A 型用紙におさまることを前提にして考えた。ただし、作りやすさ・デザイン・機能性を重視して、蓋付き箱の形状（蓋箱＋身箱：図 4）とし、大きめの A3 用紙 1 枚に収めることにした。

図2

光の解説と回折と干渉

回折によって同心円状に進んだ波は波長の整数倍の場所で強めあう。波長の 1 倍で強め合う光を 0 次光、2 倍で強め合うのを 1 次光、3 倍で強め合うのを 2 次光とよぶ。0 次光は
図4

回折格子に対して垂直方向に強め会いながら分光器は蓋箱と身箱からなる伝搬していくが、1 次光以降は波長により異なる角度で伝搬していく。これが回折格子で今回開発した直視分光器では 500 本/mmスペクトルができる原理である。一般的に分のグレーティング（エドモンド・オプティク

光ではこの 1 次光を利用する。

ス製）を採用した。1000 本/mm も検討したが、太陽の Hβ 線を見るにために明るさのコ2.2ントラストが欲しいことから 500 本/mm でスリット

分光器の多くはスリットを用いる。炎色反応などはもちろん、銀河、星雲なども面で光落ち着いた。観測可能波長域はおよそ 400nm〜700nm である。っている場合、波長分散方向においては、視シートは長方形型にし、のぞき穴に貼り付野に対して制限をかけなければ、視野中の分ける際に向きを間違えるリスクを軽減した。

散像が重なり合い、観察に耐えうる分光像をグレーティングは身箱の表から貼り付けるよ得ることはできない。

うになっているため、傾きの修正が可能だ（図特に、輝線、吸収線を観察する際には、ス5）。

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その後、長 兼弘氏から真鍮板を使うと良いのではないかとのアドバイスがあり、採用させていただいた。真鍮のスリットはパッケージに同梱している。
もっとも大きな特徴と言えるのは波長目盛を実装したことだ。波長λの像がスリットから離れた位置 X にできるとき、X は次の式で与えられる。
図5

身箱にグレーティングシートを貼る

スリットとグレーティングの距離：L
スリットと波長λの分光像の距離：X

スリットは、型紙を直接カッターナイフでグレーティングの溝間距離：d

くりぬく方法はとっていない。カッターナイ
フで、細いスリットを精度良く抜き取るのはなかなかむずかしい。空間方向に対してスリッ ト 幅 が 一 定で な か っ た り 、 断 面 が 毛 羽 立

目盛は分光像の上に表示することを考えた

つ・切り目が入ったりする。特に後者では、ため、箱の高さに対して、スリット高さを抑分散方向に筋が入ることがあり、初めて分光え設計した。箱に窓を開けて、数値をトレーに触れる初心者にとっては誤解を与えかねな

シングペーパーに印刷した波長目盛シートをい。

差し込むことにした（図 7）。

そこで、カッターを用い、あらかじめ身箱、蓋箱に大き目のスリット孔を開けておく。次に身箱に外側から、はさみなどで切り取ったスリット部品を貼り付ける方法をとった。はさみで切り取ったスリット部品はカッターで切り抜いた場合よりも直線に近く、端面もきれいになる。また、スリットの平行度、幅ともに、貼り付け時に調整しやすい。さらに、くり返し何度でもというわけにはいかないが、

図7

波長目盛シートはスライド可能

貼り直しが可能なので、スリット幅を変更することも可能だ（図 6）。

スリット中心位置のずれや、箱の製作精度によって、分光像の場所が設計値とずれてしまうことが考えられるが、シートを左右にずらすことで（目盛の間隔は変えられないが）校正することができる。校正用の光源としては、レーザーをもちいるのが簡単だ。ただし、拡散板などを使って減光の工夫が必要だ。
波長目盛シートは 2 種類を同梱している
400nm〜700nm の数値のみを記したものと、

図6

身箱外側にスリット部品を貼り付ける

観察する機会が多いであろう、Hβ、NaＤ、

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■ 投

稿 ■

Hα線そして、グリーンレーザーの波長を書

ただし、前述の通り波長域は 700nm 付近き込んだ物である。差し替えも可能だ（図 8）。

までなであり、明るさが暗いことから、Hα線よりも青から緑あたりにあたる Hβ線、Mg、Fe が観察しやすい。
4．教材として期待できる効果
天文分野においては、輝線のみならず、黒体放射の観察もおこないたいと思う方も多いだろうが、実際はなかなかむずかしい。理由は、分光像は 550nm あたりにピークがあり400nm、700nm にむけて感度は落ちていくためである。波長にする感度特性を補正した

図82 種類の波長目盛シート

上でないと黒体放射による色温度を評価することはむずかしい。直視分光器を使う意義は波長目盛は透過式なので、目盛を読むため撮像して処理することなく、即時、直感的ににある程度背景が明るくなくてはならない。

スペクトルを観察できることである。残念な

天体望遠鏡を通して恒星のスペクトルを観察

がら色温度の測定には不向きと言わざるを得するような場合には、別途、目盛を照らす光ない。また、可視光の波長域内にピークを持源などを工夫する必要があるだろう。一方、

つ高温の熱源が身のまわりにはほとんどない炎色反応や、太陽の反射光を観察するようなという点もある。実験室で 4000〜8000℃あ場合には明るすぎるため、波長目盛窓からのたりの熱源を用意できない事には、連続スペ入射光が分散され、視野内がスペクトルだらクトルと輝線スペクトルの違いを実感させるけで見づらくなる。そこで、蓋箱の内側の波程度のものと考えるしかないだろう。

長目盛窓部に赤セロファンを貼り付けることただ、太陽光と白熱電球を見比べ、白熱電にした（図 9）。分光像は光源に近いところに球の連続スペクトルのピークが赤外線域にあ短波長側、つまり青色がくる。赤フィルターることは確認できる。なぜ、白熱電球が照明を通す事で、図 3 にあるように波長目盛左右としての効率が悪いのか、エネルギー教育のの分散像はずいぶん押さえることができた。

一環として用いるには有効だ。

実際の観察では炎色反応の輝線スペクトル

やはり本領を発揮するのは輝線スペクトルはもちろん、太陽の吸収線も十分観察できる。の観察だ。スリット幅を小さくすれば線幅は細くなり、質の高い輝線を観察できる。満足のいくスペクトル像を得られなくとも、スリットへのアクセスは容易なので、くり返し修正することで装置としての分光器の構造を学ぶきっかけにもなる。
さて、（開発者としては）最大の目玉である波長目盛に期待する効果である。
スペクトルは感覚的に理解するのは簡単で図9

蓋箱の内側に赤セロファンを貼るはない。理解を促すために、虹を例に持ち出

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してスペクトルの解説がなされることが多いをつけることは、その後の生徒の科学の学びと思う。しかし、実際に虹を見ると、多くのに大きな意味を持つと考える。

人は、それが雨上がりの景色に貼り付いたも子ノ星教育社製分光器は 200 円/個と、生徒のであるかのように感じてしまう。
「 虹は追い全員に配れるレベルにまで価格を押さえていかけても逃げてしまう」と不思議がられたのる。花火のスペクトル動画などもアップロー

はなにも昔の話ではない。岡村孝子の「虹をドされているので、くわしくは子ノ星教育社おいかけて」を口ずさんだ方も多いのではなの web ページ（http:/www.nenohoshi.info/）

いか。景色は XYZ の空間にある実像であり、をご覧戴きたい。

それと重なって見えている虹は、空間方向、分散方向の 2 成分からなっている虚像なのだ。 文

献[1] 横尾武夫 編（2000）『マンガ 手作りの宇実像と虚像が重なって見えてしまう虹こそが逆に誤解を与え、スペクトルを理解しづらく宙』，裳華房

しているのかもしれない。
分光器で見られるスペクトルに波長目盛が付くことで、その像は空間と異なる座標の上にあることを印象づけることができるのではないか。
一目で全域を観察してしまえる低分散のスペクトル、しかもカラーで見るわけである。
炎色反応などの観察で、資料集にあるサンプ

坂元

ル写真と比べてしまえば、色自体が波長を表すことになってしまい、元素の同定をおこなうに当たって、数値としての波長は必ずしも必要ないかもしれない。しかし、それでもあえてスペクトルの波長を数値で読みとる習慣

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