ハロウィンの夜にトリック・オア・トリートをする子供たちを安全に保つ方法

ハロウィンといえば、暗闇の中で遊ぶ子供たちを思い浮かべます。伝統的に、ハロウィンはこうやって行われるのです。まず、暗闇はあらゆるものを少しだけ不気味にし、ハロウィンらしさを増します。次に、10月末はかつてサマータイム終了直後だったので、日が暮れるのが早くなっていました。もちろん、今年はサマータイムが11月4日まで続きます。

しかし、もし暗闇だと仮定しましょう。車が行き交う暗闇の中を走り回る子供たちが、危険な目に遭う可能性があります。「ああ、このひどいキャンディーをもらった」というような危険な目ではなく、本当に危険な目です。しかし、大人は2つのアイテムを使って、暗闇の中で子供たちの安全を守ることができます。それは、光るスティックと反射板です。この2つの機器の仕組みについて、詳しく説明します。

グロースティック

こういうもので遊んだことがあるか教えてください。念のため、グロースティックについて説明しておきます。グロースティックは、名前の通り棒状のプラスチック容器に入っていることが多いです。プラスチック容器の中には、薄いガラスで仕切られた2種類の化学物質が入っています。中のガラスを割ると、2種類の化学物質が混ざり合って光るんです。すごく素敵なおもちゃで、子供たちは大好きです。ええ、私も大好きです。まるで魔法のようです。

もちろん、これは魔法ではなく、化学反応です。この反応にはいくつかの要素があるので、それぞれ見ていきましょう。

まず、実際の化学反応についてです。多くの場合、2つの化学物質は過酸化水素とフェニルシュウ酸エステルですが、この2つの化学物質に馴染みがなければ、ピーナッツバターとジャムのようなものかもしれません。化学物質が反応すると何が起こるのでしょうか？化学結合が変化し、2つの新しい化学物質が生成されます。元の化学結合を切断するにはエネルギーが必要ですが（そうです、結合を切断するにはエネルギーが必要です）、新しい化学物質の結合を形成する際にはさらに多くのエネルギーが得られます。つまり、最終的にはこの反応から何らかのエネルギーが得られるのです。

次の部分はさらに複雑です。新しい結合が形成される際に得られるエネルギーを追跡することです。このエネルギーはどうなるのでしょうか？単に消え去るわけではありません。このエネルギーは電子をより高いエネルギー準位に励起するために使われます。そうです、原子のような境界のある系では、電子は特定のエネルギーしか持つことができません。これは量子力学の重要な概念の一つです。

ほとんどの原子では、励起された電子は問題なく低いエネルギー準位に戻りますが、この場合は違います。この場合、電子は低いエネルギー準位への遷移とは実際には一致しない高いエネルギー準位に移動します。これはほぼ禁制遷移のようなものです。しかし、完全に禁制というわけではありません。おそらくこれは「強く推奨されない」遷移と見なされるでしょう。低い準位への遷移は単純ではないため、電子がジャンプして下降するにはかなり長い時間がかかります。しかし、ジャンプすると、光の形でエネルギーを放出します。そして、これがサイリウムの光の源です。

では、なぜグロースティックは長時間光るのでしょうか？なぜただ点滅して消えないのでしょうか？最初の理由は既に説明しました。「強く阻害された」遷移によって電子がしばらく励起状態に留まるからです。しかし、化学反応の問題もあります。グロースティック内の2つの化学物質が混ざり合って反応し、初めて光ります。これはすぐに起こるわけではありません。2つの物質が均等に混ざり合い、その後、2つの別々の分子が別の未反応の分子を見つける必要があります。反応には時間がかかります。

このグロースティックは化学反応を利用しているので、実は長持ちさせることもできます。ある程度は。グロースティックが光り始めたら冷凍庫に入れると、温度が下がります。温度が下がると液体中の分子の動きが抑えられ、相互作用の速度も遅くなります。反応が完全に止まるわけではありませんが、十分に遅くなるので、再びグロースティックを使えるようになるはずです。

もちろん、逆もまた真なりです。グロースティックをお湯に入れると、より明るくなります。化学物質の温度が上昇することで反応速度が上がり、より多くの光を発するからです。しかし残念ながら、これはつまり、製品が早くなくなり、グロースティックの寿命も短くなることを意味します。箱から新しいものを取り出すしかありません。

反射板

暗い道で視認性を高めるもう一つの方法は、化学反応を必要としないことです。ランニングシューズ（ランニングショーツとシャツでも構いません）を手に取れば、そこに再帰反射材が入っているはずです。光を当てると、まるでライトのように見えますが、もちろんライトではありません。

再帰反射板を真に理解するには、まず人間がどのように物を見るのかを考える必要があります。一般的には、私たちは目から発せられる何らかの「視覚」によって物を見ていると考えられています。しかし、私たちの目は実際には何かを発射しているわけではありません（熱視力を持つスーパーマンでない限り）。目は単なる受動的な装置です。目は入ってくる光を検知する、それだけの役割を果たしているのです。

テーブルの上にあるリンゴを見るには、光が必要です。光はリンゴに当たり、反射して、あなたの目に入る必要があります。光がなければ、リンゴは見えません。

さて、平面鏡のような通常の反射体はどうでしょうか？光はこれらとどのように相互作用するのでしょうか（そして、再帰反射体とどのような関係があるのでしょうか）。懐中電灯などから発せられる光線（実際には光線ではありませんが）を想像してみてください。光が鏡と相互作用すると、鏡に当たる角度と鏡から出る角度が同じになるように反射します。これが図です（横から光線を見ることはできませんのでご注意ください）。

物理学では「入射角は反射角と等しい」と言いますが、単に角度が同じだと言えばそれで満足です。しかし、想像してみてください。夜、車に乗っていて、ヘッドライトをまっすぐ前に向けているとします。暗闇の中、目の前に子供がいます。子供は平面の鏡をつけています。理由は分かりませんが、ハロウィンなので不思議なことが起こるのです。光はこのように伝わると考えられます。

車に乗っている人は子供を見ることができません。ヘッドライトの光が外に出てミラーに反射します。しかし、角度の関係で反射光は車から遠ざかってしまいます。もし光が運転者の目に戻らなければ、運転者は何も見えません。ミラーがほぼ垂直になる唯一の方向でのみ、光が運転者の目に戻るのです。しかし、ちょっと待ってください！さらに悪いことがあります。現実世界は三次元です。つまり、ミラーの左右の向きも正確でなければなりません。まるで子供がそこにいないかのようです。ステルス機です。ちなみに、これはステルス機の仕組みと基本的に同じです。レーダー探知機にレーダー波を反射させ、「見えない」ようにするのです。

さて、再帰反射板についてですが、これは光沢のある鏡と同じ機能ではありません。暗い部屋でこのランニングシューズを見てください。

部屋の中のほとんどのものに対して、カメラからの光は光源から反射して遠ざかってしまいます。光がカメラに戻らないため、暗く見えるだけです。靴に使われている再帰反射材は素材が異なり、光が光源にまっすぐ戻ります。再帰反射材からの反射光が非常に多いため、靴が非常に明るく見えるのです。

わかりましたが、一体どうやって作るのでしょうか？実は、再帰反射板の作り方はいくつかあります。一番シンプルなのは、平面の鏡を互いに直角に並べる方法です。こちらは、小さくて安価な鏡を使って作ったものです。

同様の装置の2次元図を描くと、この仕組みがよく分かります。光が2枚の鏡に当たると、反射の組み合わせによって光は光源の位置に戻ります。

これが最も基本的な再帰反射材です。しかし、これはややかさばるので、おそらく子供のハロウィーンの衣装には適さないでしょう。幸いなことに、再帰反射材には別の設計があります。それは、超小型ガラスビーズです。光がこの小さなガラス玉に入ると、光は屈折により曲がり、さらに球体の背面の壁で反射します。この組み合わせにより、光は入ってきたのと同じ方向に戻ってきます。あなたが目にするほとんどの再帰反射材は、平面の鏡ではなく、これらの小型ガラスビーズ (超小型) で作られています。そのため、反射靴や反射標識は暗闇でとても明るく見えます。再帰反射材は、テープ状またはベストの形で購入できます。これを子供の衣装の上に投げれば、車からはるかによく見えるようになります。そして、より安全になります (ただし、キャンディーの食べ過ぎから安全というわけではありません)。

ああ、ガラスビーズの再帰反射板に似たものが他に何かご存知ですか？目です。特に犬の目です。こちらは暗い部屋にいる我が家の犬の写真です。