研究の動機

　地域のイベントでパンケーキを焼いているときに、鉄板が虹色に輝いているのを発見した。なぜ加熱すると、金属が虹色になるのか不思議に思った。

研究を始める前に

　身の回りの金属で虹色になっている物を探した。台所にある鍋の底が虹色になっている。しかし、全ての鍋がそうではない。油か何かが付いたのか。

追究１：いろいろと条件を変えて加熱し、どのように虹色ができるのか調べる

【実験１】金属の種類を変える。

《方法》

鉄、銅、ステンレス、亜鉛、アルミニウム、真ちゅうを、理科室のガスバーナー（温度約900℃）で３分間加熱した。

《結果》

亜鉛とアルミニウムは溶けて虹色はできなかった。真ちゅうは何回も虹色が出現したが、熱で徐々に曲がってしまった。鉄、銅、ステンレスに虹色が出たが、虹色の幅、変色する時間も違った。

【実験２】加熱の仕方を変える。

《方法》

ガスバーナー（基本形の青い炎、空気を少なくした黄色い炎）、ガラス細工用の強いバーナー、電熱器、ロウソク、アルコールランプで鉄板を３分間加熱した。

《結果》

鉄板が変色するまでの時間に差があったが、どの加熱方法でも虹色ができた。

【実験３】温度を細かく変える。

《方法》

ガスバーナーで一定温度で加熱するのは難しい。「スライダック」という電熱器の電圧を変える装置を使い、加熱温度を細かく変えることにした。電圧ごとの温度を調べた。電熱器の温度が安定してから、鉄板（4.5×2cm）を5分間のせて加熱する。

《結果》

加熱温度が110℃、140℃、160℃、180℃のとき、鉄板の色はそれぞれ茶色、紫色、青色、青白色。しかし、虹色にはならなかった。

【実験４】鉄板の厚さを変える。

《方法》

鉄板（厚さ1.0mm、0.5mm、0.1mm）をガスバーナーで加熱し、虹色ができるまでの時間、虹色の幅など調べる。

《結果》

厚さ1.0mmの鉄板は約250秒、0.5mmは約170秒、0.1mmは約25秒だった。

《考察》

鉄板が厚いほど、虹色ができる時間が遅く、虹色の幅が広くなる。なぜ広くなるのか。

【実験５】加熱する時間を変える。

《方法》

鉄板の加熱時間を１～10分に変えて調べる。

《結果》

約１分後から色が変わり始め、３分後には虹色が完成した。その後加熱しても、虹色は加熱している所から離れるように外側に移動し、色は変化しなかった。

追究２：なぜ虹色になるのか調べる

〈仮説１〉金属板に付いた「油」などが加熱すると、虹色になるのでは？

　油ならば洗剤で取れるはずだ。虹色になった鉄板を洗ったが、虹色は取れなかった。

〈仮説２〉ガスなどの〝炎の素〟になっている物質が金属に付いて虹色になるのでは？

　電熱器で加熱しても虹色ができたので、仮説はすぐに否定された。鉄も〝燃える〟こと、実際に台所のスチールウール（鉄）を燃やしてみて、鉄は加熱されると酸素とくっつき燃えることを知った。

〈仮説３〉金属板を加熱すると、表面に酸素が付いて虹色になるのでは？

　ビデオ録画し観察したが、燃えている様子は見られなかった。酸素が付くと重くなるのでは。

【実験１】スチールウールを燃やした後で、重さが増えるか調べる。

《方法》

バーナーであぶりながら、しっかり息を吹きかけながら完全に燃やした。

《結果》

重さは平均で約32％、元のスチールウールより増えていた。

【実験２】鉄板も酸素が付いて重くなるか調べる。

《方法》

実験用ガスコンロで鉄板を十分加熱し、重さを量る。

《結果》

0.01gまで量れる電子てんびんで測定（10回）すると、重さが約0.01g増えていた。しかし本当に酸素がくっついているのか。

【実験３】鉄板に窒素を吹きかけながら加熱する。

《方法》

電熱器に鉄板をのせ、鉄板表面に窒素ガスをスプレーしながら加熱し、変化を見た。

《結果》

窒素をスプレーした所だけ、色が変わらなかった。

《考察》

やはり酸素がくっついて虹色になったのか。しかし、窒素気体によって表面温度が下がり、虹色にならなかった可能性もある。電熱器の鉄板表面にストローで息を吹きかけながら加熱したら、鉄板は虹色に変色した。空気中の酸素が鉄板にくっついたのだ。身の回りのいろいろな虹色を調べると、シャボン玉や水面の油膜などの薄い膜で「光が反射するパターン」、プリズムや水槽などで「光が屈折するパターン」がある。

〈仮説４〉金属表面の虹色も、水面の油膜やシャボン膜と同じ「光の反射」が原因ではないか？

【実験４】膜の厚さを調べる。

油膜：油10滴分の重さと体積をはかり、１滴分の体積を計算する。１滴を水面にたらして広がった油膜（虹色）の面積をはかり、「体積÷面積＝膜の厚さ」を出そうとしたが、油膜が不規則に広がり、面積を求めることができない。

シャボン膜：針金で直径10cmの円形枠を作り、計量計に置いたシャボン液の中につけて引き上げ、円形枠にシャボン膜を作る。それを繰り返して、シャボン液が0.01g減ったときのシャボン膜の枚数からシャボン膜１枚の厚さを求める。

《結果》

シャボン液１cm³の重さは0.98g、同液0.01gで6.5枚の膜が作れたことから、シャボン膜の厚さは0.000199mmと分かった。

鉄板表面の膜：①スチールウールを加熱して増えた重さから、できた物質の重さを求める。②できた物質の重さから、できた物質の体積を求める。③できた物質の体積を鉄板の表面積で割り、膜の厚さを求める。

《結果》

鉄板（4.5×15cm）の表面積は4.5×15×2（両面）＝135cm³。できた物質の重さ＝0.041g。できた物質１cm³当たりの重さ＝6.9g。できた物質の体積0.041÷6.9＝0.0059cm³。できた膜の厚さは0.0059cm³÷135cm²＝0.0000437cm＝0.000437mmだ。

〈仮説５〉金属にできる膜の厚さの違いが虹を作っているのではないか？

【実験５】スライダックで電熱器にかかる電圧を変え、色が変わったときの温度と増えた重さを調べた。

《結果》

温度が高くなると、重くなった。温度が高くなると膜の厚さが少しずつ厚くなり、色が変わるのだ。

〈仮説６〉熱が順番に伝わることで膜が少しずつ厚くなり、虹色になるのではないか？

【実験】鉄板の端をガスバーナーで加熱したときの温度分布と虹色の様子を、サーモカメラで観察した。

《結果》

温度分布が虹色の様子と一致した。

追究３：金属によって虹色の様子が変わるのはなぜか調べる

【実験1】金属の種類と温度、変色の関係を調べる。

《結果》

鉄は茶110℃、紫140℃、青150℃、白180℃。銅は赤140℃、青150℃、黄160℃、茶180℃、黒200℃。ステンレスは黄270℃、青360℃となった。同じ色でも、金属によってできる温度が違う。

【実験2】金属の種類と熱の伝わり方を、サーモカメラで調べる。

《結果》

一番熱が伝わったのは銅だ。鉄は銅よりも遅い。ステンレスはなかなか温まらず、熱の伝わりも極端に遅い。

追究４：金属が厚くなると虹色の幅が広くなるのはなぜか調べる

〈仮説〉厚くなると熱がゆっくり伝わるからではないか？

【実験】鉄板を１枚、２枚、３枚と重ねて加熱し、サーモカメラで観察した。

《結果》

鉄板を重ねるほど、熱はゆっくり伝わった。温度分布が広くなるため、虹色の幅も広くなる。

追究５：鍋の内側に、どうして「薄い虹」ができるのか調べる

〈仮説〉水の中の成分が水が蒸発したときに残って薄い膜を作り、虹色ができるのではないか？

【実験】蒸留水と水道水をステンレスのさらに入れて加熱し、水を蒸発させた。

《結果と考察》

水道水の皿だけ「薄い虹色」になった。やはり水の蒸発後にわずかに残った成分が、鍋に薄い膜を作り、虹色を作ったのだ。

感想

　研究で大変だったのは、虹色ができる仕組みが細かく、直接目で見えなかったことだ。小学生の私たちには追究できないことも数多く残った。これから中学校や高校で学習すると分かるかもしれない。その時を楽しみに待ちたい。