鏡について

質問

この間鏡を作成しました。溶かしたはんだを
金床の上に出して固まったのを磨くだけなんですが、
それに関連して質問をさせて頂きます。
・磨けば磨くほど当然表面はツルツル・ピカピカになっていくわけです。これを金属光沢というそうですが、これと自由電子？とかいうものの関係を教えてください。
・固まったのをハンマーでたたいて伸ばしたのですが、
これと「延性」「展性」という言葉が関係あるそうですが、調べても
よくわからないので、URLだけでもかまいませんので説明をお願いします。

困っているのでお願いします。

回答No.3

Mr_Holland · ベストアンサー

＃１です。
　補足を拝見しました。
　Zol312さん、あなたでしたか～。特にIDに気を止めずに回答していたもので気づかずにすみませんでした。

　さて、補足事項についてですが、延性・展性については＃２のht1914さんがとても分かりやすい説明をしていますので、残りの金属光沢について述べたいと思います。
　とはいっても、この金属光沢の理由はとても難しいものです。Zol312さんは確か中学生ではなかったでしょうか。これを理解するには少なくとも大学レベル以上の知識が必要で、とても複雑な数式を扱わなければなりません。
　私も理解するには程遠い状況ですが、調べてみて分かったところを数式を使わずに説明してみます（結果的にはこれまでの説明と分からないかもしれませんが）。

　先ず、金属内の自由電子ですが、この自由電子は自由に動くとはいっても電子同士はマイナスに帯電しているので近づきすぎると反発する性質があります。そのため、自由電子は、他の自由電子に近づくたびに反発力を受けることによって、独特の振動を行います。この振動をプラズマ振動といいます。また、この振動の周波数は一定ではなく、ある分布をもちますが、その中の代表的なものをプラズマ周波数と呼んでいます。そして、金属ではこのプラズマ周波数は紫外線の領域にあり可視光より高い周波数をもちます。つまり、自由電子は金属内で可視光より高いプラズマ周波数付近で振動しているといえます。
　ここで、プラズマ周波数より高い周波数の電磁波（紫外線よりも周波数の高い光)を当ててみましょう。このとき、電磁波から見ると金属内の自由電子はとてもゆっくり動いているため止まっているように見えます。そのため、高い周波数の電磁波は、すかすかにしか存在しない自由電子の間をすり抜けて、結局、金属を透過することになります（そのため、放射線の1つであるガンマ線はほとんどの金属を通り抜けてしまいます）。
　今度は逆に、プラズマ周波数より低い可視光の光を当てます（赤外線でも電波でも構いません）。すると今度は、可視光から見ると、金属内の自由電子は非常に速く動いているためバリヤが張られているように見えます（縄跳びの縄が非常に速く動いているため、いつ入っても引っかかってしまうようなものです）。そのため、可視光は自由電子にぶつかって弾き飛ばされてしまうわけです。このときに反射が起こります。
　この反射の説明には、入射角と反射角が等しくなることがいえればよいと思いますが、このことは下記のように様々なサイトでなされているので、紹介することで代えさせてもらいたいと思います。
　なお、この原理による反射は、金属内だけではなく、上空数10km～数100km程度の高度に分布している電離層でも起こっていて、電波の反射に寄与しています。この電離層は高度によっていくつかの種類があり、それぞれプラズマ周波数が異なります。プラズマ周波数が最も高いものでも短波帯になりますので、そのことが短波までは遠くまで伝わりますが、FMラジオやテレビの電波などは上空で反射せず宇宙へ突き抜けてしまい、見通し距離内でしか電波が伝わらない理由になっています。

（ホイヘンスの原理によるもの)・・・アニメーションで分かりやすい。
http://www.ne.jp/asahi/tokyo/nkgw/gakusyu/hadou/Huygens'principle/Huygens.html
http://ww2.wainet.ne.jp/~yuasa/flash/Huygens_reflection_refraction.swf
http://www004.upp.so-net.ne.jp/s_honma/refraction/refraction.htm

（フェルマーの原理によるもの)
http://www.bekkoame.ne.jp/~kitamula/tuikabook.htm

（波動方程式によるもの)
http://www.ese.yamanashi.ac.jp/~itoyo/lecture/emw/emw4/emw4.htm

　あと、老婆心ながら・・・
＞では、もう一つの金属光沢についてもよろしくお願いいたします。

　せっかく素晴らしい説明をしてもらっているのに、ちょっと失礼な印象を持ってしまいました。回答者にはすべての疑問に対して説明の義務があるわけではないのですから（そもそもボランティアですからね）。
　もう少し言葉の使い方に考えるようにしたほうが良いと思いますよ。
　ではまた。

補足

ご回答有難うございます。
＞もう少し言葉の使い方に考えるようにしたほうが良いと思いますよ。
失礼いたしました。必ずしも必ず答えて貰いたいというわけではなかったのですが、少し急いでいたもので、言葉使いを良く考えておりませんでした。ht1914さんにもこの補足にてお詫び申し上げます。ごめんなさい。すいませんでした。今後気をつけたいと思います。

本題についてですが、
金属光沢の原理についてはなんとなくわかりました。要するに自由電子が可視光線（の粒子？）より早く動いているので弾かれるということですよね。有難うございます。
そこでまた関連した質問なんですが、よろしければご回答お願いします。
サイトを拝見したのですが、なぜ入射光と反対方向に電磁波を放射するのか というのが未だに良くわからないんです。
単純に入射角と反射角が等しいというのまではいいのですが、
それとホイヘンスの定理がいまいち結びつかないんです。どういうことなのでしょうか？お願いいたします。

回答No.4

Mr_Holland

＃１／＃３です。
　補足を拝見しました。
　私の心配に誠実に答えてくれて嬉しかったです。どうもありがとう。

　さて、ホイヘンスの原理（「定理」ではないですよ。物理では「定理」という用語は使われていないようです。）ですが、図を使って出ないと説明が難しいので困っていましたが、調べてみたら良いサイトがありました。
http://www12.plala.or.jp/ksp/wave/reflection/
　できれば自分で図示してみるのが一番なので、もしこれで実感が湧かなければ高校物理の参考書などを見て作図してもらったほうがいいかもしれません（地味なことですが、物理を学ぶものなら誰しも通った道です。端折らずに実際に作図するとより理解が深まります。）
　それでも、分からないことがあれば、また質問してください。（この質問の継続でもいいですが、新たな質問を立てたほうが、他の人からのアドバイスなどももらえていいかもしれませんね。）

お礼

ご回答有難うございます。
大体の疑問は解決しました。本当に助かりました。
また他の質問でお会いすると思いますので、そのときはどうぞ
よろしくお願いします。

回答No.2

ht1914

化学結合のところで金属（金属結合性物質）とイオン結合性物質の性質を比較します。
・金属の硬さはまちまちだが大きな力を加えて曲げたり伸ばしたりすることが出来る。（延性、展性）
・イオン結合性結晶は固いが大きな力を加えると割れる。（固くてもろい）
これについて簡単な説明をしています。
（１）食塩などのイオン性結晶物質は正と負のイオンが互いに相手を取り囲むように配置しています。簡単に書くと下の図のようになります。

○●○●○●○●　　　　　　○●○●○●○●
●○●○●○●○　　　　　●○●○●○●○
○●○●○●○●　　→　　○●○●○●○●
●○●○●○●○　　　　　●○●○●○●○
○●○●○●○●　　　　　○●○●○●○●

○を正イオン、●を負イオンとします。正負のイオンの間には引力が働きますのでガッチリと結びついています。これが堅いということです。
無理に力を加えてずらします。ズレの起こった境界のところでは同じ符号のイオンが隣り合うことになります。同種のイオンは反発しますからくっつくことが出来ずに離れてしまいます。これが割れてしまうということです。

（２）金属だと同じ原子が並んでいて間を自由電子が結びつけています。どの原子もどの電子も区別がありません。簡単な図に書くと次のようになります。

○○○○○○○○　　　　　　○○○○○○○○
○○○○○○○○　　　　　○○○○○○○○
○○○○○○○○　　→　　○○○○○○○○
○○○○○○○○　　　　　○○○○○○○○
○○○○○○○○　　　　　○○○○○○○○

これに無理に力を加えます。１単位ずれると重なっている部分は元と同じ状態になります。はじめの状態でくっついていることが出来るのであればずれた状態でもくっついています。金属ではこの様にずるずるとずれた状態がいくらでの実現できることになります。
延性とか展性、曲げたり伸ばしたりすることが出来るという性質のイメージはこんなものだと思います。
金属の場合でも合金になると延性、展性の性質が弱くなります。同じものが繰り返すという性質が成り立たなくなるからです。
鉄の場合でも炭素分の多い鉄は固くてもろいが少ない鉄は軟らかくて粘りがあるそうです。

補足

ご回答ありがとうございます。
展性・延性が金属の分子（原子）の結合の仕方によるものだということですよね。
では、もう一つの金属光沢についてもよろしくお願いいたします。

回答No.1

Mr_Holland

高校程度なら、このあたりでいかがでしょうか。
　それ以上でしたら、専門家を待ちましょう。

　金属光沢と自由電子
http://web.kyoto-inet.or.jp/people/sugicom/kazuo/neta/bake7A.html
http://encyclopedie-ja.snyke.com/articles/%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%85%89%E6%B2%A2.html

　延性、展性
http://jp.encarta.msn.com/encyclopedia_761577292/content.html
http://www.tuat.ac.jp/~katsuaki/B050426OHP.ppt

補足

ご回答ありがとうございます。
お久しぶりです。またお世話になってます。よろしくお願いします。
今回は前回と全く分野が違いますけれども。
さて、HPを一通り拝見しました。
文句みたいで申し訳ないのですが、一番上のサイトは結構わかり易いのですが、内容が薄いですね。
そこで他のを見たのですが・・・・難しいです。
例えば金属光沢で、
「金属の場合、金属光沢は金属内部の自由電子と外部から入射した光子とが相互作用して発生する。金属はその種類・構造により自由電子群は固有のエネルギー準位バンドを有する。したがって金属光沢の色は自由電子エネルギー準位の構成を反映したものになっている。」と。
サッパリわかりません。ごめんなさい。
自由電子が光をはじき返すということを言っているのかなぁということはなんとなくわかりますが、あとはちょっと・・・・
また、延性・展性も手に負えません。
しかも、PCにパワーポイントが入っていないので最後のサイトは見ることすらできません。
できたらで結構ですので、この範囲で（専門的でなくても）わかりやすく説明して頂けませんでしょうか？
お願いいたします。