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紙はなぜ白いのか?光の乱反射や屈折率の違いが関係します!

管理人の紙コンサルこと、べぎやすです。

今回は、紙はなぜ白いのかというお話。

このお話、当たり前過ぎてなかなか
まともな答えがありませんでした。

子供に理由を聞かれたなら
白いものは白いとかでいいですが

学生さんが理由を調べるなら
もうちょっとまともな答えが欲しい。

管理人のレベルで分かりやすく
というのは難しいのですが

出来るだけこうではないかというのを
お話したいと思います。

ということで。

この記事では、紙はなぜ
白いのかについて

管理人なりに調べたことを
お伝えしたいと思います。

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紙はなぜ白いのか。そもそも白色とは?

まずはそもそも白色とは
なにかというところから。

管理人が知っている範囲では
白色というのはすべての

あらゆる波長の光が混ざったもの
ということだったと思います。

基本的にどの光も
反射されている状態ですね。

この光が混ざっているということ。

もしも、反射された光が分離していたら
色んな色が見えるわけです。

昔の理科の実験でプリズムを通すと
虹の色が見えたりしましたが、

光の波長が分離されると
色がつくということですね。

だから目に見える光が白というのは
あらゆる波長の光が混ざっていて、

その光が目に入ってくる
ということになります。

紙はなぜ白いのか。紙表面の光の乱反射が原因

それで、紙が白い理由なんですが。

これは紙表面の光の乱反射が
ひとつの原因と考えられます。

紙の表面はいくらなめらかだと言っても
光の大きさからすると凹凸がある。

そうすると紙表面に当たった光は
乱反射することになります。

たとえばゴムボールを床に投げたとして、
その床が平らならキレイに反射しますが

その床が砂利道のように凸凹なら
ゴムボールはどこに飛ぶかわからない。

それと似ていますね。

このゴムボールがたくさんあって
一斉に床に投げられたとすると

凸凹の床に投げられたゴムボールは
バラバラの方向に飛び散るわけで

これがちょうど光の粒子が
乱反射している状態になるわけです。

こうなれば様々な波長の光の粒子が
混ざるわけですから白く見える。

大雑把に言えばそういう感じですね。

光が表面で乱反射すれば白く見えるのか?

では、光が表面で乱反射すれば
白く見えるのかというとそうではない。

表面に凹凸のある黒い布は黒いし
赤ければ赤、青ければ青。

色のついているものは表面の
凹凸に関係なく色が見えます。

この場合は、特定の波長の光が
吸収されてしまうので

乱反射してもあらゆる波長の光ではなく
特定の波長の光岳が見えるから。

青なら青以外の光を吸収するし
黒ならあらゆる光を吸収する。

この場合は表面性とは
関係ないことになります。

そう考えると紙はなぜ白いのか?

というのはパルプに色がついていない
ということになるんですね。

つまり、セルロースの繊維は
基本的に透明なんです。

これはすりガラスを考えてみれば
わかりやすいと思います。

透明なガラスの表面に凹凸を
つけるとすりガラスになります。

元々透明なガラスのときだけ
白いすりガラスになるんですよね。

ではどういうわけですりガラスは
白く見えてしまうのか。

これは屈折率の問題があると思います。

紙はなぜ白いのか。セルロースと空気の屈折率について

大抵の人は屈折率というのを
聞いたことがあると思います。

たとえば空気の屈折率は約1。

正確には真空が1.00なんですよね。

ここで紙の成分のセルロースはというと
純粋なものは1.57だそうです。

でもパルプ繊維は1.49。

ちょっと数字が違いますがこの違いは
空気を含むかどうかでしょうかね。

空気が含まれると屈折率が下がりますから。

それで、紙はこのパルプ繊維と
空気の複合材料になるわけです。

屈折率の違う素材が重なって
紙になっているということなんです。

それも相当ミクロな状態で
重なり合っています。

こういうところを光が通ってくると
どういう事が起こるのか?

まず光はまっすぐに進むことはありません。

屈折率が高い部分をなるべく避けて
屈折率の低いところを進もうとします。

屈折率というのは密度のようなもので
屈折率が高いと光は速度が落ちるんです。

光は出来るだけ短時間で進みたいので
屈折率の高い部分は通りたくない。

そうなると真っ直ぐ進むより空気の中を
縫うようにして進むほうがいいわけです。

障害物を避けて進むようなものです。

しかし、光がまっすぐに進まないと
向こう側の画像はボケてしまう。

光は混ざってしまうんですよね。

特定の光が吸収されると色が見えますが
どの光も吸収されない状態で混ざると

あらゆる波長の光が混ざっているわけで
この状態だと白く見えるということです。

実際に、すりガラスの向こうには
誰がいるか、どうなってるかは不明。

誰かがいるみたいだと言うのは分かっても
正確に向こうにいる人を見ることは無理。

光が真っ直ぐに進まずに混ざるから
向こう側の様子は分からないんですよね。

紙の場合も同じことで表面でも
光は乱反射して混ざるし

後ろから光があたったとしても
屈折率の違う物質を通ることで

光は散乱してまっすぐに進まないので
やっぱり混ざってしまって白くなる。

かなり大雑把な説明ですが
だいたいこんな感じだと思います。

紙を透明にする方法

ここまでは紙はなぜ白いかについて
お話をさせていただきました。

そこではパルプが透明で空気との
複合材料だから白く見えると説明しました。

それなら空気を抜けば
紙は透明になるはずですよね?

ではそれは可能なのか?

これについては実は
身近に実例があります。

たとえばグラシン紙とか
トレーシングペーパー。

トレーシングペーパーは
半透明ではありますが

通常の紙よりはるかに
透明性が高いです。

あれはパルプ繊維を押しつぶして
空気を抜いたシートを作るから。

トレーシングペーパーをもっと
押しつぶしてパルプ繊維だけにすれば

もっと透明性が増すだろう
ということになります。

別の紙ではワックスペーパー。

この紙も透明ですよね。

これは紙を押しつぶして
空気を減らすのではなく

パルプに近い屈折率を持つ
ワックスを含浸しています。

結局、紙の中から空気が抜ければ
紙は透明になっていくわけです。

このことからもパルプ繊維は
基本的に透明だと分かります。

もしも色がついていればいくら潰しても
青かったり赤かったりしますから。

紙はなぜ白いのか。漂白について

紙がなぜ白いのかということで
ここまでお話してきました。

もうひとつ重要なのはパルプは
漂白されるということです。

セルロース自体は透明なんですが
木材から製造するパルプは白ではない。

木材自体にはリグニンという茶色い
色がついていますから

これを分離してそれでも色が残るので
白くなるように漂白します。

ですから、紙はなぜ白く見えるか
という理由はありますが

白く見えるように色々と
手を加えているとも言えます。

紙を白く見せる工夫

紙なんて白だろ?と思うんですが
実は同じ白と言っても千差万別。

実は微妙に違う白色があります。

多分、コピー用紙でもメーカーで
微妙に色が違うと思います。

だから各品種ごとの色を出すために
染料を使うんですね。

染料で色を整えていない紙を
見る機会はあまりないでしょうが

たとえば印刷用紙なんかは
特に見た目が重要ですよね。

だから白く見せたいときには
ブルーやバイオレットを使います。

実は漂白したパルプは白いんですが
若干黄みがかってるんですよね。

だからその補色になる青系統の
染料を使って黄色を消すわけです。

あとは人間が見た目で白いと
錯覚してくれる色調にする。

紫系を使うのはそういう色を
白いと感じる人が多いからだとか。

紙の色の好みは国によっても
人種によっても違うらしいです。

目玉が黒いか青いかでも
見え方が違うそうですから。

これについてはそういう話が
あったというだけで事実かどうかは

不明ですけどモノの見え方なので
違いがあっても不思議ではないでしょう。

いずれにしても紙の色の基本は白。

この部分は変わらないようですが。

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管理人のまとめ

今回は、紙はなぜ白いかというお話でした。

これはなかなか難しいお話で、
表面の乱反射とパルプ繊維と

空気の屈折率の差で説明
出来るとは思うのですが

誰にでも分かるようにというのは
ちょっと難しいかなと思います。

また、紙は白いものが偉い
というようなところがあるので

できるだけ白く見せようとする
というのもあると思いますね。

木材パルプ自体は茶色いので
リグニンを抽出し漂白もする。

紙にするときには染料を使って
黄色を消すようなこともする。

物理的に白く見えるといういのと
より白く見せたいというのが

ありますから話がややこしい
かなと思います。

白く見えてしまう原理としては
すりガラスのたとえを書きましたが

光の散乱という意味では
雲が白く見えるというのも

似たようなことになる
かなと思いますね。

この記事が、紙がなぜ白いかの
参考になればと思います。

たまには紙がなぜ白いかと言うような
当たり前のことも考えてみて下さいね!

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