ろうそくの科学と照明技術

1791年に貧困家庭に生まれたマイケル・ファラデー(Michael Faraday)は製本業の年季奉公を経て，ハンフリー・デービー(Humphry Davy)に雇われ，1813年に王立研究所(Royal Institution of Great Britain)の化学助手となった．初期の業績はデービーの助手としての化学研究であり，1823年に塩素の液化に成功し，1825年にはベンゼンを発見している．

1825年にはデービーの後をついで研究室長(Director of the Laboratory)となり，1829年にデービーが亡くなってからは電気の研究が中心となった．そして1831年に電磁誘導を発見し，1833年に電気分解の法則，1845年には鉛ガラスなどの透明体を通過する光の偏光面が磁場によって回転するファラデー効果と反磁性を発見している[1]．

「ろうそくの科学(The Chemical History of a Candle)」はファラデーが1860年に行った６回のクリスマス講演をウィリアム・クルックス(William Crookes)がまとめて1861年に出版した本だ．ファラデーは1827年以来，総計19回，1851年からは10年間続けてクリスマス講演の講師を務めたが，これが最後のクリスマス講演だった．

講演では，ろうそくを題材にした実験が行われた．(1) 毛細管現象や炎による上昇気流の発生，(2) 燃焼が酸化反応であること，(3) 燃焼によって水と炭酸ガスが発生すること，(4) 水を電気分解して発生した水素と酸素の性質を調べる実験，(5) 気体の種類によってそれぞれ重さが違うということ，(6) 石灰水を用いて私たちの息に二酸化炭素が含まれていることを示す実験などである．なお，1859年の講演の速記録を編集したものも「力と物質(A Course of Six Lectures on the Various Forces of Matter and their Relations to Each Other)」として出版されている．

イギリスの大学では教授就任に際して一般向けの講演会を開催することがあるが，実験を織り交ぜたユーモアたっぷりの講演が行われるのが伝統なのは，王立研究所の公開講義を受け継いだからのようだ．

クルックスは「力と物質」と「ろうそくの科学」を出版した後，1875年頃にクルックス管を発明したが，エックス線を発見し損ねた．クルックス管に高電圧をかけると陰極から陰極線(電子ビーム)が飛び出し，それが陽極に衝突すればエックス線が放出される．そしてクルックスはクルックス管で実験を行うと，周囲の写真乾板を露光させる現象を知っていたが，エックス線の発見はレントゲン(Wilhelm Conrad Röntgen)が1895年に同じ現象に気づいた時まで待たねばならなかった．公表して記録に残さなければ，知っていても発見したことにはならないのだ．

さて，ろうそくやオイルランプは当時の代表的な照明技術であったが，その後の技術進歩は著しく，ガス灯，アーク灯，白熱電球，水銀灯と蛍光灯，そしてLED(Light Emitting Diode)照明などが続々と登場した[2, 3]．

たいまつ(松明)，ろうそく，ガス灯はいずれも燃焼によって高温を作り，その輻射を照明に利用するものだ．松明やろうそくの炎には不完全燃焼によって生じた煤(炭素の粒子)が含まれ，光はその黒体輻射によるものだが，ガス灯では完全燃焼してしまうと煤がなくなって高温になる．すると炎の色は青白くなり，可視光成分は少なくなる．そこで布製品に金属酸化物を吸着させたガスマントルを炎の中に設置して可視光に変換する工夫がなされた．

電気照明の始まりは炭素電極間にアーク放電を発生させるアーク灯であった．放電によって強い光が発生するが，炭素電極が消耗するので，その電極間の距離を一定に保つ必要があった．そのため街路灯には適しても，屋内照明には不向きだった．

白熱電球は通電加熱によって金属線を高温にして，その輻射を利用した照明である．トーマス・エジソン(Thomas Alva Edison)が1880年に商品化に成功したものは竹を炭化した炭素フィラメントを用いたものだったが，その後の改良はゼネラル・エレクトリック(GE)と東京電気(現・東芝)の寄与が大きい[4]．

GEのウィリアム・クーリッジ(William David Coolidge)は1910年にタングステン電球を実用化し，GEのアーヴィング・ラングミュア(Irving Langmuir)は1913年に不活性ガスを注入したガス入り電球を開発した．アルゴン，窒素，クリプトンなどの不活性ガスはタングステンの蒸発を抑制するから寿命が長くなるのだ．そして，東京電気の三浦順一が1921年に二重コイル電球を開発，東京電気の不破橘三(Marvin Pipkinによる発明もほぼ同時期)は1925年に内部つや消し電球を開発した．

白熱電球の欠点はタングステン線の一部が加熱されて蒸発し，細くなって断線が起こると寿命を迎えることだ．加熱された部分から蒸発したタングステンを再び元の部分に戻すことができれば，寿命は永くなる．これが1959年にGEのEdward Zublerが発明した微量のヨウ素を封入したハロゲンランプだ．

昇華してガラス面の内側に付着したタングステンが電球内のハロゲンガス(ヨウ素など)との化学反応によってハロゲン化タングステンとなって再び蒸発し，それがタングステン線の高温部(細くなった部分)で熱分解してタングステンを析出するのだ．ただし，そのためには電球の温度を高く保たねばならないので，触れて火傷にならない注意が必要となる．ハロゲンランプは自動車のヘッドライトなどに使われている．

アーク灯のような放電灯では発光管内のガスがイオン化され，その電子が異なるエネルギー準位に遷移するときに輝線スペクトルに相当する波長の光を放出する．このなかで強い光を発するものを総称してHIDランプ(High-Intensity Discharge Lamp)というが，これには水銀，ナトリウムおよびメタルハライドが封入されたものが含まれる．

ナトリウムランプはトンネル内の黄色い照明灯として利用されているもので，封入されたナトリウムへの耐食性に優れた透光性アルミナが発光管に用いられる．この透光性アルミナはGEに在籍していたときにRobert L. Cobleが開発したものだ．

発光管に石英ガラスを使う水銀灯は街灯に利用されていたが，ハロゲン化金属(NaI，ScI3など)を封入したメタルハライドランプへの置き換えが進んでいる．なお，自動車のヘッドライトに利用されるメタルハライドランプにはキセノンガスも含まれるので，キセノンランプあるいはディスチャージランプと呼ばれることもある．水銀灯の発光が本格化するのは水銀が蒸気となって圧力が高まってからなので，日暮れ近くに点灯された水銀灯の光は弱いが，その後，だんだんと強まってくる．

蛍光灯は低圧の水銀灯のガラス管内部に蛍光物質を塗布したもので，発生する紫外線を可視光に変換して照明に利用する．ブラックライトは長波長の紫外線に変換する蛍光体を塗布した蛍光灯だ．そして蛍光物質が塗布されてないものは紫外線を発するので，殺菌灯に使用される．

キセノンガスを封入したキセノンアークランプの発光効率は高くはないのでHIDランプの部類ではないが，太陽光に近い連続スペクトルが特徴なので，写真撮影のストロボや促進耐候性試験用の人工光源などに利用されている．太陽光に近い連続スペクトルの様相を呈するのはキセノンの原子番号が大きいからだ．励起された電子が基底状態に戻るときのエネルギー順位の組み合わせが多様となって，さまざまな波長の光を放出するから連続スペクトルの様相を呈する．

LED照明には青色LEDと黄色蛍光体の組み合わせを使ったものが普及している．発光ダイオードからの青色光の一部を蛍光体で黄色に変換し，それが混ざって白色光に見える．ニック・ホロニアック(Nick Holonyak, Jr.)が1962年に赤色LEDを開発して以来，表1に示すような各種のLEDが開発された[5]．青色LEDが1993年に日亜化学工業によって実用化されたことで照明技術は飛躍的に前進したのだ．

表1．各種単色発光ダイオードの特性例[5]

発光材料	発光色	ピーク波長(nm)	光出力(mW)
InGaN	ultraviolet	375	19
InGaN	violet	405	23
InGaN	blue	450	44
InGaN	blue	465	31
InGaN	bluishgreen	500	18
InGaN	green	520	16
InGaN	amber	588	3
AlInGaP	red	630	20

照明技術は野外で強い光を放つ照明と，室内の穏やかな照明の２系統に分かれて多様な方式が発達してきたが，白色LEDが開発されてからの照明灯の多様性は減少基調にある．室内照明のみならず野外の信号灯，街路灯などの白色LEDへの切り替わりが進んでいるからだ[5]．照明技術の歴史のなかで，日亜化学工業の中村修二氏の貢献が大きかったことはよく知られているが，白熱電球の改良に関わった東京電気の貢献は忘れられがちだ．

文献
1. たとえば，コリン・Ａ．ラッセル，マイケル・ファラデー，科学をすべての人に，大月書店 (2007).
2. 照明学会，照明ハンドブック，オーム社 (1978)．
3. 照明学会，照明ハンドブックコンパクト版，オーム社 (2006)．
4. 近代あかりの歴史と共に(東芝照明事業から130年の歩み)，東芝ライテック株式会社
　　https://www.tlt.co.jp/tlt/corporate/company/akari_story/akari_story.htm
5. 照明学会，照明ハンドブック(第3版)，オーム社 (2020)．

(岡田　明)