金属にはなぜ光沢があるか？

質問

調べたところ、「金属の中を動き回っている多数の自由電子が、外から飛び込んでくる光をはじき飛ばす（反射する）から」と書いてあったのですが、どうも腑に落ちません。もう少し詳しく説明していただけませんか？

回答No.2

Quarks · ベストアンサー

エネルギーバンドのお話から。

原子が１個で孤立しているとき、その電子が光を吸収できると、ややエネルギーの高い状態（励起状態）になりますが、やがて
自身が安定化しようとして、元の状態（基底状態）に戻ろうとします。そのとき、差額のエネルギーを光の状態で放出します。
このとき、励起状態のエネルギーとしてどのくらいのエネルギーを持った状態が可能なのかというと、量子力学によれば、どのような励起状態にでもなれるわけではなく、可能な励起状態は決まっていて、飛び飛びになっています。イメージとして、エネルギー図を想像していただきますが、基底状態のエネルギーが最も低くてe0，次に可能な励起状態はe1，より高いエネルギー状態の励起状態ではe2，…となっています。重要な点はe0,e1,e2…がきっちりした数値になっていることです。e0,e1,e2…などをエネルギー準位と呼びます。
孤立した金属原子の電子はe1-e0、e2-e1,e2-e0…などのエネルギー差(ギャップ)に相当するエネルギーを持った光子を吸収放出し、これらのどれにも一致しない光子は吸収も放出もできません。

金属塊になっている場合は、金属原子は金属結合によって互いに結合して自由電子を互いに共有し合っています。
この自由電子は、無数にある金属陽イオンのすべてから影響を受けているわけですが、個々の金属陽イオンとの関係は同じではなく、いろいろな影響を受けているはずです。この結果、個々の自由電子のエネルギー準位は、先ほどのe1,e2,のようにきっちり決まった数値にはならず、或る幅をもったものになってしまいます。この幅（帯状）のエネルギー準位をバンド（帯）と称しています。
この結果、金属原子が１個で孤立しているときには吸収できなかった光子も、吸収できる可能性が高くなってきます※。

※比喩で書いてみます。
金属が孤立しているとき、彼の財布は１０００円単位の札しか入れません。当然１０１０円とか９９０円などはもらいたくてももらえないわけです。
一方、金属結合している状態だと彼の財布には、小銭入れが新たに支給された状態になります。こうなると、彼は１０００円はもちろん、１０１０円でも、９９０円でももらえるようになります。

自然光には、いろいろな波長の光が含まれていますが、波長の違いは光子のエネルギーの違いを意味しますから、自然光とはエネルギーの異なる光子が混在している状態だと言うことです。先の比喩で言えば、単色光とは　１０００円札だけ、自然光は　1000円,101円,990円などの集まりです。金属結合していると、自由電子群は、かなりエネルギー値の幅を持った光子を吸収できるわけです。
吸収したエネルギーはやがて同じ値のエネルギーを持った光子として放出されます。あたかも、金属はいろいろな光を発する光源のように作用するわけです。これが金属光沢の正体です。

おまけ。自由電子が放出する光子は特定の方角に決まっているわけではありません。金属の外に向かって放出されれば、私たちの目に入ってくるでしょう。しかし、金属の内部に向かって放出されるものも有ります。この光子は別の自由電子に吸収され…、と連鎖に置かれることでしょう。その先どうなるかと言えば、金属が箔状態で薄ければ、裏側に"通り抜けて"しまうものもあるでしょうが、そうでなければ、自由電子の熱運動として少しずつ失われてしまうでしょう。光を照射し続けていると、金属が徐々に温かくなってくるのは、この熱運動の激化によるものです。
ここで、疑問が生じるはずです。自由電子のエネルギーバンドが幅を持つようになるといっても、上下のエネルギーバンド間にはギャップが残っているはずですよね。最低でもこのエネルギー準位間のギャップを丁度越えるのが可能なエネルギーを持つ光子だけが吸収されるはずです。つまり、光子によっては、どの自由電子にも吸収されないものがあるということです。これらの光子（或る波長の光）は"反射"されないので、金属によっては、或る波長の光を、光沢として出せないわけです。銀や鉄などの場合は、可視光線の範囲のすべての光子を吸収・放出できますから、銀色に輝いていますが、金や銅は可視光内にも吸収できない光子がある金属ですから、あのように、金属特有な色の光沢を持つのです。また、可視光線以外の波長領域でみれば、鉄や銀といえども、色付いた光沢持っています（色といっても私たちの目には見えませんが）。

お礼

たいへん分かりやすい回答ありがとうございます。おかげで、スッキリしました。

回答No.1

yokkun831

光は電磁波ですから，電場と磁場の振動が空間を伝わるものです。
自由電子は，金属中である限り自由に移動できますから，電磁波によって振動させられます。
振動させられた電子は，同じ振動数の電磁波を放射します。
以上が，光の反射のミクロ現象です。