なぜ電気は光るのか？白熱電球、蛍光灯、LEDの科学
私たちの周りは、電気で生まれた光に満ち溢れています。夜道を照らす街灯、部屋を明るくする照明、テレビやスマートフォンの画面。これらは全て、電気の力を借りて光を放っています。
しかし、「電気を流すと光が出る」というのは、考えてみると少し不思議ではないでしょうか。熱くなる、動く、といった電気の作用はイメージしやすいかもしれませんが、なぜそれが「光」になるのでしょうか。
今回は、私たちの身近にある代表的な照明器具である白熱電球、蛍光灯、そしてLEDを取り上げ、それぞれが電気によって光を生み出す科学的な仕組みを分かりやすく解説していきます。
熱で光る白熱電球の仕組み
まず、最も古くから使われている白熱電球です。ガラスの球の中に細い金属の線（フィラメント）が入っています。スイッチを入れるとこのフィラメントに電気が流れます。
ここで起こっているのは、電気のエネルギーが熱に変わる現象です。電気抵抗を持つ物質に電流を流すと熱が発生します。これはジュール熱と呼ばれるもので、電気ストーブやヘアドライヤーが熱くなるのと同じ原理です。白熱電球のフィラメントには電気抵抗の大きい金属が使われているため、わずかな電流でも非常に高温になります。
金属は、温度が上がると原子や電子が激しく振動します。そして、ある温度を超えると、その振動のエネルギーを光として放出するようになります。温度が低いときは赤っぽい光ですが、温度が上がるにつれて黄色、白色と変化していきます。白熱電球のフィラメントは、電流によって3000℃近い高温になり、この熱によってフィラメント自体が白く輝き、光を放つのです。
例えるなら、金属を熱すると赤く、さらに熱すると白く光る様子をイメージしてください。白熱電球は、金属を超高温に熱することで光を得ているのです。
放電と蛍光で光る蛍光灯の仕組み
次に、広く使われている蛍光灯を見てみましょう。細長いガラス管の中に、ごく少量の水銀とアルゴンなどのガスが入っています。ガラス管の内側には、蛍光物質という特殊な粉が塗られています。
蛍光灯に電気が流れると、ガラス管の中で放電現象が起こります。これは、雷やネオンサインのように、気体の中に電気が流れる現象です。蛍光灯の場合、この放電によって管内の水銀原子が刺激され、目には見えない紫外線が発生します。
発生した紫外線が、ガラス管の内側に塗られた蛍光物質に当たると、蛍光物質はそのエネルギーを吸収して可視光線（私たちの目に見える光）に変換して放出します。このため、蛍光灯は熱くなるのではなく、紫外線が蛍光物質を光らせることで明るく光るのです。
これは、ブラックライト（紫外線ライト）を当てると、白いシャツや特定の色が明るく光るのと同じ原理です。ブラックライトから出る紫外線が、物質に含まれる蛍光増白剤や蛍光インクなどを刺激し、目に見える光に変えているのです。蛍光灯は、管の中で紫外線を発生させ、その紫外線を蛍光物質で光に変えているのですね。
半導体で直接光るLEDの仕組み
近年急速に普及しているのがLED（Light Emitting Diode、発光ダイオード）です。LEDは、白熱電球のようなフィラメントや、蛍光灯のようなガスや蛍光物質を使っていません。代わりに、半導体という特殊な物質が使われています。
半導体には、電気を伝える役割を担う電子が多い場所（n型半導体）と、電子が不足していて「正孔（プラスの穴）」が多い場所（p型半導体）があります。この二つをくっつけた部分（p-n接合）に特定の向きで電気を流すと、n型半導体から電子が、p型半導体から正孔が、それぞれ接合部分に集まってきます。
この電子と正孔が接合部分で出会って結合する際に、余分なエネルギーを光（光子）として放出します。放出される光の色は、使われている半導体の種類によって決まります。赤、青、緑など、様々な色のLEDがあるのはこのためです。これらの単色LEDを組み合わせることで、白色の光も作り出せます。
LEDは、電気エネルギーを直接光に変えるため、白熱電球のように熱として失われるエネルギーが少なく、蛍光灯のように紫外線を経由する必要もありません。これがLEDが消費電力が少なく、長寿命である理由の一つです。
例えるなら、白熱電球は金属を熱して輝かせるロウソクや焚き火のようなイメージ、蛍光灯はブラックライトで蛍光塗料を光らせるイメージ、そしてLEDは、特別な物質に電気を流すとそこから直接光の粒が出てくるようなイメージです。
まとめ
同じように「電気で光る」という現象でも、白熱電球は熱、蛍光灯は放電と蛍光、LEDは半導体という、全く異なる科学的な原理を利用しています。
白熱電球は電気エネルギーの多くが熱として逃げてしまうため効率は低いですが、構造がシンプルです。蛍光灯は白熱電球より効率が良いですが、水銀を使用しています。LEDは最も効率が良く長寿命ですが、やや複雑な半導体技術を使っています。
私たちの身の回りにある当たり前の光一つをとっても、そこには様々な科学の知恵が使われていることが分かります。このように、身近な現象の「なぜ？」を掘り下げてみると、物理や化学、生物といった科学分野の面白さが発見できるはずです。
日々の生活の中で、様々な現象について「これはどうなっているんだろう？」と少し立ち止まって考えてみることで、科学をより身近に感じられるかもしれません。