光の吸収： あらゆる波長の光を吸収するわけではないのに

こんにちは，光の吸収について勉強しています．

物質の電子のエネルギー準位は，とびとびのレベルをとるために，吸収する波長が限られる．基底準位と励起準位の差分エネルギーに相当する波長を持つ光が吸収される．

と理解しております．すなわち，物質は何でもかんでも全ての光を吸収するわけではない，ということですね．すると，

１．例えば，何かの透明でない板（木でもプラスチックでも）があったとして，それが透けて見えない理由はなんでしょうか．この板の中にはあらゆる波長の光が吸収される程多くの色々な物質が入っているということでしょうか？　

２．青い板があったとして，これは青以外の波長の光を吸収しているということですが，なぜ透けていないのでしょうか？ 表の青色は，裏面からの透過光（を含んでいる）とは思えませんが．

３．Siの単結晶板も透明でありませんが，Siのバンドギャップは赤外域の波長（1200nm）に相当するようです．なぜ可視光を透過しないのでしょうか．

光の吸収を勉強していて，当たり前に思えていたことに疑問を覚えました．何か勘違いしているかも知れず，これも危惧しております．どうか，回答お願い申し上げます．宜しくお願いします．

No.3 ベストアンサー 回答者： walkingdic 回答日時： 2008/06/17 21:03

よいご質問だと思います。

実は深く掘り下げると奥の深い話になってきます。
とりあえずは基本部分のみ説明しましょう。

ご質問では透明ではないという理由をお考えですが、その場合には、単に吸収だけではなく散乱、反射も考えなければなりません。

まずは吸収からいきましょうか。
基本的には、

>物質の電子のエネルギー準位は，とびとびのレベルをとるために，吸収する波長が限られる．基底準位と励起準位の差分エネルギーに相当する波長を持つ光が吸収される．

その理解でよいです。
ではその吸収する波長幅はどの程度になると思いますか？
幅が０になるでしょうか。実は０にはなりません。
このスペクトルの広がりには大きく分けると均一広がりと不均一広がりがあります。均一広がりの代表的なものは、励起準位の寿命です。
寿命が短いと幅は広くなります。（これは有限時間の波では単一周波数にはなりえないからでフーリエ変換すればわかります）
言い換えると励起準位自身が幅を持っているということを意味します。

次に不均一広がりですが、一つはドップラーシフトです。分子・原子毎にこのシフトがランダムにおきますので、全体として広がりを持ちます。特に気体では顕著ですが固体も格子振動していますので生じています。もう一つは原子・分子が周囲の原子・分子の影響を受けて共鳴する励起準位にずれが生じます。これも一つの原子・分子では広がりは見えませんが、集合体としては広がりを持ちます。

上記に書いた均一広がりや不均一広がりの原因はあくまで代表例であり、このほかにも色々あります。

さて、次にでは物質にはどの位の共鳴する励起準位があるのでしょうか？
構造が単純な原子でも実はかなりの数があります。それが分子となり、さらには分子の集団となるとき、その数は非常に多くなってきます。

つまり、整理すると、一つ一つの励起準位を取り上げても広がりがあり、それが更に沢山存在するわけですから、それらは重なり合い全体に吸収する部分が容易に生じるわけです。

そのため普段見かける物質の大半は幅広い範囲で吸収を示し、まったく吸収を示さない波長はほとんどありません。もちろん吸収の程度にはかなり差がありますが。

さて、吸収の次は散乱です。
一番わかりやすいのは磨りガラスです。ガラスは本来透明ですが、沢山の傷により光は色んな方向に散乱します。当然光源側に戻る成分もあり、透過率は１００％では無くなります。また透過した光も散乱されているため、透明ではなく濁っています。

散乱の物理的原理を説明し出すと大変なので詳細は省略しますけど、基本的には原子・分子で一度光が吸収されてまた光として再放出される時に環境がランダムなので、方向もランダムになるという現象です。（環境が均一ならば入射光と同じ方向に進む光になり、これは透明体と同じです）

最後には反射です。
ガラスでも水面でもそうですが、斜めから光を入れると反射が強くなります。
つまり透過光量は少なくなります。
極端なのは金属反射です。実は金属のような導電体では光の電場を打ち消すように自由に動ける電子がいるため、この電子により電場か打ち消され、進入できません。その場合、その光のほとんどが反射してしまうわけです。（わずかには吸収されますので、それが金属毎に微妙に違う光沢の色になります）
つまり金属はそもそも電場を打ち消されて進入できないので、光を通さないわけです。


さて、これで吸収、散乱、反射の三現象がわかりました。


＞１．例えば，何かの透明でない板（木でもプラスチックでも）があったとして，それが透けて見えない理由はなんでしょうか

まず、木で考えると、木を非常に薄くすることを考えてみます。カンナくずはその代表例です。すると光が散乱されるけど透過することがわかります。
これにより、まず強い吸収があることがわかります。
また散乱もあることがわかります。

反射は？
たとえば木の表面をカンナがけしてきれいな面にすると、正反射の位置で太陽光を反射させてみると表面が輝き光が反射しているのがわかります。つまり反射もあるわけです。でも木が見えるということは、単に反射のためだけではなく散乱もあるということに気がつくでしょう。でないと木が見えません。

プラスチック板でもなんでもやはり同じですね。


＞２．青い板があったとして，これは青以外の波長の光を吸収しているということですが，なぜ透けていないのでしょうか？

こちらももうわかると思います。
青い板が見えるのは基本的には散乱によります。
ただ青く見えるのは何故でしょうか。それは青以外の波長は散乱より吸収が強いからということに他なりません。散乱時点でも吸収が強い波長の場合には散乱するより吸収が強くなるわけですね。

たとえばプラスチックの青い板をうんと薄くするとどうなるでしょうか。青いセロハンになるわけです。青い光は吸収が少ないけど他の色の吸収は強いわけです。

ただ青いといっても、青の光をまったく吸収しないわけではありませんから、厚みをますと結局光は透過して見えることはなくなります。


＞３．Siの単結晶板も透明でありませんが，Siのバンドギャップは赤外域の波長（1200nm）に相当するようです．なぜ可視光を透過しないのでしょうか．

バンドギャップより長波長はエネルギーが低いので透過しますね。
で、半導体の場合には単純に一つの準位ではありません。いくつもの吸収する準位があります。そのためそれら準位の重ね合わせとして幅広く吸収が生じています。
つまりバンドギャップＥｇより短波長では吸収領域が幅広く存在しているわけです。

もう一ついうと、光により励起された電子は価電子帯にいるわけですから、その構造はかなり金属と似ています。そのため見かけは金属と似た感じの金属反射のような感じに見えるわけです。

No.5 回答者： vq100mg 回答日時： 2008/06/17 23:46

電子レンジのマイクロウェーブも同じ電磁波ですが、物質に吸収され熱になります。

　励起など無縁の光量子エネルギしかもっていません。　電磁波と物質の相互作用は励起だけではありません。　電場により物質を構成する陽子と電子の位置関係が変化します（誘電分極）。　電波の領域なら配向分極、光の領域では原子分極、電子分極で、少し反応形態は違うのですが、交番電場に追従した振動が生じます。　この振動の一部が分子や格子の熱振動に乗り移ることになります。　これは誘電損失として吸収される過程ですが、導体の抵抗損としての吸収もあるでしょう。　金属は反射の際、電界に応じて動く伝導電子が格子振動に阻まれる事で損失を与えます。　カーボンのような抵抗体が黒いのは、反射させるほど導電率が高すぎず、透過するほど低くもなく、丁度良いのでしょう（自由空間の特性インピーダンスと上手く整合がとれている）。　

このような基本的な損失機構に加え、不均一な物質の場合には、異なる屈折率（特性インピーダンス）の界面で繰り返し生じる反射や透過が、損失を助長するのだと思います。

ところで題意によれば、Siの可視域のみならず、長波長領域の透明度が気に成りませんか。　それは導電率に依存するそうです。　そこでの吸収は励起とは無縁の抵抗損が演じているようです。

＞　物質は何でもかんでも全ての光を吸収するわけではない，

確かに吸収率の波長依存は大きいでしょう。　でも、吸収皆無の波長は存在しないのではありませんか。

No.4 回答者： shippo_ppk 回答日時： 2008/06/17 21:11

３．Siの単結晶板も透明でありませんが，Siのバンドギャップは赤外域の波長（1200nm）に相当するようです．なぜ可視光を透過しないのでしょうか．

Siの厚さに依存します。
Siは確かに可視光を吸収しますが、Si表面に光が到達した瞬間に全てが吸収されるわけではありません。入射する光の強度を Io とすると、Si表面からの深さｚでの強度 I は
　I＝Io・exp（－α（λ）ｚ）
となり、深さとともに光は減衰して行きます。α（λ）は吸収係数で、α（λ）は長波長側ほど小さく、長波長の可視光の方が短波長のものより深くまで到達します。0.1umの厚さのSi板だったら、きっと透けて見えます。10umもあれば可視光では不透明になるでしょう。

No.2 回答者： usokoku 回答日時： 2008/06/17 19:23

＞とびとびのレベルをとるために，

のエネルギー順位ですが、一見ひとつの軌道と見える軌道、たとえばSP3のメタンあたりを連想してください、でも、複数の順位に分かれている。
たとえば、紫外の吸収エネルギーは、比較的ブローな吸収で幅広い範囲を持っています。一方、赤外では、指紋領域では鋭いピークがありますが、C=O結合の関係するブローナカーブがあります。これは、ひとつの固定した軌道ではなく幅広いエネルギーを吸収します。
たとえば、1200nmの光だけを吸収する軌道があったとします。1199nmの光のうちたまたま何かの影響をうけて軌道が1199nmに移動していた軌道があったので1199nmの光も吸収された。ところが、励起する関係で1200nmの光の吸収分しかエネルギーが使われなかった場合には、差のあまったエネルギーは原子や電子のもつ熱エネルギーとして蓄えられ、電子の軌道がずれます。ずれたけっか、1201nmの光を吸収すると励起できる軌道ができて、1201nmの光も吸収できるようになる、
というような雰囲気で考えてください(正確にはエネルギーバンドやエネルギー順位がぶしつの持つ熱エネルギーによって多少変かすした順位になってどうのこうの、不確定性原理がどうのこうのという議論になりますので、ない様の正確さはまったくありません)。

光の透過は、なにも吸収だけが関係するのではありません。
反射や回折があります。ぶしつにあたった光が反射される場合、TV放送程度の電波(光の一種です)を反射するには、3cm位の隙間のある金網で９割以上反射できます。ところが、マイクロはになると、一般程度の滑らかさが必要です(衛生放送のパラボラアンテナの滑らかさを思い出してください)。入った光が反射してしまう場合があります。光がぶつかり跳ね返るのですが、ぶしつは剛体ではありません。電子雲なんて電子が雨後いているだけですからこうしとの衝突の前後で、入社速度と反射速度には多少の違いが出ます。これをうまく使うと、入ってきた光を全部吸収してしまう「物」ができます。黒体、と呼ばれる実験装置があります。これです。
「電場暗室」と呼ばれる部屋があります。これも、反射をうまく使って電波が消える様にしています。

光のかいせき、反射と同じです。原子の粒にぶつかって原子間距離の合わない波長の光を反射してしまうのです。

見え方。人間の目は、十分明るいとどの光の波長でも白く見えます。十分暗い光は、どの光でも黒く見えます。

3.シリコン単結晶は見たことがない(せいぜい科学博物館の展示品程度)ので回答不能。

No.1 回答者： noname#142909 回答日時： 2008/06/17 18:56

物質の密度が高いと光は透過できません。

例えば板を薄くスライスすれば光が透過しますね

物を見る場合たいていは反射光を見ています青い物は青以外の色を吸収するので青く見えます。
といっても人間が青く見えるような光を反射している訳で可視光以外の物も反射しています