光は私たちの目に見える世界を作り出す重要な役割を担っています。私たちの身近にある光について、その本質や特性、そして光学の基本原理を確認するための10問の光クイズをご用意しました。クイズを通して、光の真空中の速度、屈折率、スネルの法則、光の分散、光電効果、電磁波の性質、回折、黒体放射、チェレンコフ放射など、光に関する基本的な概念をご理解いただけると思います。光は自然界の根幹をなす現象であり、理解を深めることで私たちの世界をさらに深く捉えることができるでしょう。是非、光の不思議に迫る本クイズに挑戦してみてください。
Q1 : 黒体放射のピーク波長と温度の関係を与える法則（ウィーンの変位則）で正しい式はどれか λ_max = 2.898×10^-6 T λ_max × T = 2.898×10^-3 m·K λ_max / T = 2.898×10^-3 m·K λ_max × T = 2.898×10^3 m·K
ウィーンの変位則は黒体放射スペクトルのピーク波長λ_maxが絶対温度Tに反比例することを示し、正しい関係はλ_max × T ≈ 2.898×10^-3 m·Kです。選択肢4の数値は桁が大きすぎますが誤解を避けるため説明すると、たとえば温度が3000 Kの黒体のピーク波長は約966 nm（近赤外）となり、温度が上がるほどピークは短波長側に移動します。この法則はプランクの法則から導かれ、天文学や熱放射解析で広く使われます。
Q2 : チェレンコフ放射が発生する条件として正しいものはどれか 荷電粒子が真空中を光速より速く進むと発生する 荷電粒子が物質中でその物質中の光の群速度より速く進むと発生する 荷電粒子が常に発生させる放射である 荷電粒子の速度は関係ない
チェレンコフ放射は荷電粒子が媒質中を進むとき、その粒子の速度がその媒質における光の位相速度より大きい場合に発生します。真空中で光速より速く進むことは特殊相対性理論で不可能なので、実際には媒質の屈折率nにより光の位相速度がc/nに低下する環境で発生します。放射角はcosθ = 1/(βn)（β = 粒子速度/光速）で与えられ、青色の光を伴うことが多いです。
Q3 : カンデラ（cd）は何を表すSI単位か、その定義に最も近いものはどれか 物体が単位面積あたり放射するエネルギーの強さ ある方向における光度、基準は540×10^12 Hzの単色放射で1/683ワット毎ステラジアンの放射強度 光が1秒間に放出する光子数 光のエネルギー密度
カンデラはSIの光度の単位で、定義は特定の方向における光の強さを表します。具体的には、540×10^12 Hzの単色放射において、ある方向へ1/683ワット毎ステラジアン（W·sr^-1）の放射強度を持つ仮想的な光源の光度を1 cdと定義しています。この定義により可視域での人間の視感度を基礎にした光度が規定され、ルーメンやルクスなどの照度関連単位と整合します。」
Q4 : プリズムが白色光を虹色に分散する現象の原因は何か 光の速度が真空で変化するため 光の振幅が変化するため 光は媒体中で直進できないため 屈折率が波長によって異なるため（分散）
プリズムで白色光が分散する主因は屈折率が波長依存性を持つこと、つまり分散です。一般に可視域では短波長（青）は屈折率が大きく長波長（赤）は小さくなる傾向があり、同一入射条件で波長ごとに屈折角が異なるため空間的に分離されます。これは材料の電子共鳴や誘電応答に起因するもので、正常分散と異常分散の概念があり、プリズムや回折格子で波長分解能を得る基礎です。
Q5 : 光電効果の観測が示した光の本性について最も適切なのはどれか 光は粒子（光子）としての性質を持つ 光は必ず波としてのみ振る舞う 光のエネルギーは強度にのみ比例する 光は電場成分を持たない
光電効果の実験では、光の周波数がしきい値より低いとどれだけ強い光を当てても電子は放出されず、しきい値を超えると光の強度にかかわらず光の周波数に比例して放出電子の最大運動エネルギーが増えることが示されました。アインシュタインはこれを説明するため光量子仮説を提案し、光がエネルギーを量子化した粒子（光子）として振る舞うこと、エネルギーE=hfが成り立つことを示しました。この結果は光の粒子性を支持します。
Q6 : 自由空間中の電磁波光に関する記述で誤っているものはどれか 線偏光、円偏光、楕円偏光が存在する 電場と磁場は波の進行方向に対して垂直である 媒質のない真空中では横波であり縦波の成分はない 電磁波は常に縦波である
自由空間中の電磁波は横波であり電場と磁場は波の進行方向に対して垂直です。偏光には線偏光、円偏光、楕円偏光があり、これらは電場ベクトルの時間的変化の形で記述されます。縦波の成分は一般に自由空間には存在せず、縦波はプラズマや導波路など特別な条件で現れることがあります。したがって「常に縦波である」という選択肢が誤りです。
Q7 : 光の回折が光学系の分解能に与える主要な影響は何か 光のエネルギーを増幅する 像のコントラストを完全に消す 開口による回折が点像をエアリーディスクに広げるため分解能を制限する 屈折率を変化させる
回折は波としての光の性質に由来し、有限の開口を通る光が干渉して点光源が有限の広がりを持つ像（エアリーディスク）を形成します。これにより光学系の分解能は波長と開口径（または対物F値）に依存し、レイリー判別基準では二つの点像が分離できる条件が定量化されます。つまり回折は理論的な最小解像限界を定め、設計上重要な考慮点です。
Q8 : 真空中の光速の正しい値はどれか 約3.00×10^8 m/s（299792458 m/s） 約2.99×10^6 m/s 約3.00×10^5 km/s 約1.00×10^9 m/s
真空中の光速は定数であり、国際単位系では正確に299792458 m/sと定義されています。これはメートルの定義の基礎にもなっており、光が真空中を進むときの速度であって、媒体中では屈折率により遅くなります。歴史的にはマイケルソンらの実験やレーザー干渉計による高精度測定で確立され、相対性理論でも定数cとして基本的役割を持ちます。したがって選択肢1が正しいです。
Q9 : 屈折率nの定義として正しい式はどれか n = v / c n = c / v n = sinθ1 / sinθ2 n = c × v
屈折率nは光が真空中の速度cに対して媒体中での位相速度vがどれだけ遅くなるかを表す比で、定義はn = c / vです。従って媒質内での光の位相速度が小さいほど屈折率は大きくなります。なお屈折率は波長に依存するため分散が生じ、群速度と位相速度が異なる場合もあります。スネルの法則では屈折率の比が入りますが、定義そのものはcとvの比です。
Q10 : スネルの法則（屈折の法則）の正しい表現はどれか n1 / n2 = sinθ2 / sinθ1 n1 cosθ1 = n2 cosθ2 n1 sinθ1 = n2 sinθ2 n1 + n2 = sinθ1 + sinθ2
スネルの法則は媒体1と媒体2の屈折率n1,n2および入射角θ1,屈折角θ2の関係を示し、式はn1 sinθ1 = n2 sinθ2です。この法則はフェルマーの最小経路原理から導かれ、光が進む経路が到達時間を極小にすることに対応します。屈折率が異なる面で光線の方向が変わり、全反射や屈折角の計算にこの式を用います。
まとめ
いかがでしたか？ 今回は光クイズをお送りしました。
今回は光クイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
