透明な物質と不透明な物質との本質的な違い

Question

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。

potachie · Accepted Answer

>> ＞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。

potachie · Answer

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。

potachie · Answer

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。

debukuro · Answer

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

g_zero · Answer

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。

透明な物質と不透明な物質との本質的な違い

>> ＞基本的には「結晶」になれば、透明です

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。

この回答への補足

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。

この回答への補足

金属には自由電子があり絶えず流動しています

この回答への補足

元化学系です。

この回答への補足

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