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。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。全ての鍋がそうではない。油か何かが付いたのか。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°C)で3分間加熱した。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。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。虹色にはならなかった。【実験4】鉄板の厚さを変える。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。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。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。【実験5】加熱する時間を変える。鉄板の加熱時間を1~10分に変えて調べる。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。重さは平均で約32%、元のスチールウールより増えていた。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。本当に酸素がくっついているのか。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。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。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。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。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。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。鉄は茶110°C、紫140°C、青150°C、白180°C。銅は赤140°C、青150°C、黄160°C、茶180°C、黒200°C。ステンレスは黄270°C、青360°Cとなった。同じ色でも、金属によってできる温度が違う。