透明な物質と不透明な物質との本質的な違い

質問

以前の関係スレを見ているのですが、どうも素人にはわかりにくい無塚しい理論があるようです。
分子が通過する光子を捉えきれずに逃がしてしまうという現象のように理解したのですが、金属は１ミクロン以下でも光を通さず、水は何十メートルの厚さでも何もないかのように通過するのはやはりこの理屈なのでしょうか。どうも理解できません。水やガラス、ある種の透明プラスチックの間に共通点はあるのでしょうか。あるのでしょうね。私にはまったくないように思えます。
原子は基本的にすかすかで、ほとんど何もない空間であるときたことがあります。それが本当なら物質は皆透明に近いのではないでしょうか。金などの超薄い箔は原子が百くらい重なっただけのものもあるらしいのですが、こんな層を光が通らないのは何か積極的な阻止構造があるような気がするのですが、わかりやすく教えていただけないでしょうか。

回答No.5

potachie · ベストアンサー

>> ＞基本的には「結晶」になれば、透明です
>> ガラスや水は巨大な近似単結晶だということでしょうか。
>> 結晶だと分子がそろっているので光が通り抜けやすいということなのでしょうか。

巨大な近似的な単結晶を作っているという発想も、あながち間違いではありません。ただ、液体のため、結晶構造は持っていないという考え方でも結果的に同じです。散乱を起こす粒子単位そのものがないため、また、金属のような自由電子もないため、透明に見えます。なお、可視光で強い吸収がないのも理由の一つになります。薄い色はありますので、厚いガラス、深い湖には、色を見ることができます。あまりに厚くなると、結果的に不透明になります。

>> ＞遷移軌道に入っている電子が励起によるので
>> こういった現象がここでは起こらないのは単に物性の問題なのだと解釈できるのでしょうか。

例外もありますが、元素そのもの種類によると考えて良いかと思います。電子軌道の構造によります。

ちょっと意地悪な例を追加しておきます。
世の中には、「構造色」というモノがあります。これまでの話にも関わりますが、元素や分子そのものの性質でできる色とは違い、物質の表面の形状だけで生じる色のことです。水やガラスの話で、構造を持たないから透明なんだという説明の逆の話です。
蝶の紫色は、その蝶を集めてその色を取りだそうとしても取り出せません。表面のスリット構造による光の散乱・回折で生じる色だから、構造を壊してしまうと無くなる色です。

お礼

再度のご丁寧なご回答ありがとうございました。
おかげさまで疑問が解消いたしました。
金属を別にして勝手にまとめてみます。
表面がなめらかで散乱しないこと
細かい結晶構造ではない
元素の電子軌道の構造が光子を捉えない形になっている。
（ガラスは結構多くの元素でできている（Ｓｉ、Ｏ、Ｎａなど）ようですが、これらは皆そういう性質を共有しているのですね。）
長年の疑問が解消し、すっきりしました。

回答No.4

potachie

私は問題集などを作っている編集者なので、「専門家」ではないですが。

>> 自由電子がほとんどないと思われる金属以外の物質がなぜ基本的に不透明なのかということです。

金属の「金属光沢」については、自由電子によるものといわれています。
単原子膜になるくらいまで金属を薄く延ばすと金属光沢が消えます。金箔だと、赤みを帯びるようです。光を吸収する（不透明にする）のは、自由電子というよりも遷移軌道に入っている電子が励起によるので、「金属光沢」の例とはちょっと原因が異なります。また、原子核の間隔によって、
散乱が起こりやすい波長などができます。波長が打ち消される場合は波ができなくなります。

>> 特にガラスや水など、それに液状の非金属が透明性を持つように思うのですが、温度による相変化と結晶化非結晶化などの分子のそろい方は透明性と関係はないのでしょうか。それともすべて自由電子のふるまいで説明がつく問題なのでしょうか？

自然界に多いコロイド（牛乳など）は、不透明ですが、これは粒子構造をもっていることによる散乱のためです。原子レベルではなく、もっと大きな単位での話ですね。

日常、身の回りにあるプラスチック、合成繊維は、基本的には「結晶」になれば、透明です。ただ、性質を良くするために混ぜものがあったり、結晶構造を崩したりします。透明かどうかは、結晶しているかどうか（結晶が崩れているとその境目で光が屈折や散乱するために不透明になります）によります。色は、意図的に染料や顔料を混ぜて付けています。
ちなみに、お話の「ガラス」は、液体ですね。粒子や結晶の境目が内ので、不透明になる要素がないので、透明になります（色が付くかは別の話）。

いくつもの原因・要素を同列に話しているのが、混乱されている素になっている気がします。

補足

ご丁寧なご回答ありがとうございます。私の疑問が貴回答で相当ほぐれた感じがします。
自由電子の件はほぼ理解できた気がします。

＞光を吸収する（不透明にする）のは、自由電子というよりも遷移軌道に入っている電子が励起による
＞粒子構造をもっていることによる散乱のためです
散乱が起こるのが普通なのでしょうね。これは素人として理解できます。
これらでほぼ不透明の原因は解けるわけですね。

これからが　本番なのですが、
＞基本的には「結晶」になれば、透明です
ガラスや水は巨大な近似単結晶だということでしょうか。
結晶だと分子がそろっているので光が通り抜けやすいということなのでしょうか。それとも金属でなく表面が滑らかなことが原因しているだけなのでしょうか。＞遷移軌道に入っている電子が励起によるので
こういった現象がここでは起こらないのは単に物性の問題なのだと解釈できるのでしょうか。

回答No.3

potachie

不透明かどうかは、光の粒子の性質より、波の性質をみた方が分かりやすいかも。

ひとつめ。
原子核に捉えられている電子の中には、割と自由に動き回れるものがあり、そいつが軌道を変えると、エネルギーを放出したり、吸収します。
その軌道の変化は連続しておらず、特定の波長の光のみを吸収します。

この吸収する部分が可視光にあるものは、色を持っていて、色が濃くなると、透明には見えなくなります。逆に、可視光にないものは、透明に見えます。これが１つめ。

原子核に捉えられている電子の中には、割と自由に動き回れるものがあり、電子や原子核の近くを光が通るときに、散乱が起こります。散乱が起こると光が曲げられるため、透明には見えなくなります。金箔など、金属を単原子分子膜にまで薄くのばすと、光は透過されるようになります。
霧や雲が不透明なのと、原理は似ています。薄いと散乱されず、厚いと散乱されます。

貴石（宝石）の中には、特定の光の向きだけ通すという偏光性をもつ結晶もあります。基本的には、光を粒子と捉えるよりも波と捉える方が分かりやすいかと思います。

お礼

すみません、ここをお借りして補足のようなものをかかせていただきます。
素人考えですが、特にガラスや水など、それに液状の非金属が透明性を持つように思うのですが、温度による相変化と結晶化非結晶化などの分子のそろい方は透明性と関係はないのでしょうか。それともすべて自由電子のふるまいで説明がつく問題なのでしょうか？専門家氏がそう仰るならそう考えるのにやぶさかではありません。
すべて単純に考えてしまう性格なもので。

補足

ご丁寧なご回答ありがとうございます。

貴回答を私なりにまとめてみました。ま違っているかもしれません。

「電子の中には、割と自由に動き回れるものがあり」＝自由電子でしょうか？そうカッテニ解釈して次に進みます。

自由電子は特定の波長だけを吸収したり、散乱させたりする。
つまり光を通さない。
吸収する波長が可視光でないものは光を通すことになる。
波長だけでなく、その波の一定方向しか通さない物質もある。

つまり水やガラスやアクリル樹脂などは、たまたま分子の自由電子が可視光の範囲の波長を吸収しないからだ、と仰りたいのですね。
この点はわかりました。

金属が光を通さないことは素人目にははっきりしています。
自由電子が非常に多いせいだと解釈したのですが間違っているでしょうか？

私が疑問に思うのは、自由電子がほとんどないと思われる金属以外の物質がなぜ基本的に不透明なのかということです。
これについてのご回答はこれまでなかったように思うのですが。
ガラスとシリコンとは素人にはほぼ同じものだと承知しているのですが間違っているのでしょうか。
アクリル樹脂と他の樹脂（たとえばナイロン系）との光の透過性の差はどうして出来るのでしょうか。
これらはまだ解明されていないのでしょうか？
それとも説明するまでもない簡単な常識的なことなのでしょうか？

回答No.2

debukuro

金属には自由電子があり絶えず流動しています
これが光の浸透を阻害しているのです
でもまったく透過しないということはありません
というよりも大変によく透過するのです
カメラや眼鏡のレンズには金属の膜がコーティングされていてレンズの明るさを増すのに役立っています
要は密度というか光が通過するときに出くわす粒子の数によるのです

補足

ご回答ありがとうございます。
＞要は密度というか光が通過するときに出くわす粒子の数によるのです
これは素人にもわかります。
何十メートルという水の深さとか、1メートル近いアクリル水槽の壁を光は通過しますが、０．１ミクロンというような金属の膜を光は通過できません。この事実と貴方の説はひどく矛盾しているように思えます。
なぜ金属の薄膜が光をより良く通すのに役立つのでしょうか。自由電子が光子を捉えるという原理とはまったく異なったものがそこにはあるような気がします。ちなみにこのレンズ表面の膜はどのくらいの厚さなのでしょうか？
もし回答者様が私を混乱させる目的で来られたのでなかったのなら、そのあたりをわかりやすくご説明いただく必要があったのではと思います。できれば再度のお越しをお願い致します。

回答No.1

g_zero

元化学系です。・・・が、あんまり専門ではなかったので授業で微かに聞いたうるおぼえな知識なので、他の方補足をお願いします。

確か、物質が光（電磁波）を吸収、反射するかは大まかに言うと電子の作用によるものだったと思います。ある種の結合状態や電子の状態によって（電子のエネルギー状態によって）、どの波長の電磁波を吸収するかが決まるんじゃなったかと。
金属は自由電子を持っていて、自由電子は取れるエネルギーの幅が広かったから殆どの電磁波を反射する。水も別に何でもかんでも透過するわけでなく、マイクロ波を吸収しますよね（電子レンジの原理）。いやそれは別の理由だったかな？まぁともあれ、ガラスも単に可視光を吸収しないから透明に見えるだけで、別の波長を吸収してたりするわけです。

とか、そんな感じだったと思います。適当な説明ですみません。

補足

早速のご回答ありがとうございます。
＞物質には電子がある
＞電子が通過する電磁波にかかわってくる
＞電子の状態は物質によっていろいろ違う
＞自由電子は電磁波を反射する
＞金属は自由電子を持っている
＞だから金属は電磁波を通さない
＞水もガラスも一応電子を持っているが
＞可視光の範囲の電磁波は捉えない。
たまたま水、ガラス　はそういった共通（つうか類似）の原子（いや、分子か）構造を持っているということなのですね。
少しわかってきました。
ありがとうございました。