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Jun 22, 2023

岩石と鉱物が光と戯れ、息をのむような色を生み出す仕組み

私たちの周りには岩石や鉱物が溢れています。 その美しさで高く評価されているものもあれば、あまりにも一般的であるため簡単に無視されるものもあります。 さまざまな色や色合いがあります。 光を捉えるものもあれば、光を捉えるものもある

私たちの周りには岩石や鉱物が溢れています。 その美しさで高く評価されているものもあれば、あまりにも一般的であるため簡単に無視されるものもあります。 さまざまな色や色合いがあります。 ある者は光を捉え、ある者は光を曲げ、ある者は光を壊すことさえある。

しかし、化学式がほぼ同じであるサファイアにはさまざまな色があるのに、なぜルビーは赤いのでしょうか? 地球上で最も豊富な鉱物の 1 つである石英は、なぜこれほど多様な色と不透明度を持っているのでしょうか? そして、なぜ一部の鉱物は独自の虹の世界を作り出すのでしょうか? これらの質問に対する答えは、岩石が分子スケールでどのように動作するかという興味深い物理学を組み合わせたものです。

最もきれいにカットされたルビー、サファイア、エメラルドでも、不完全であることでその鮮やかな色が得られます。

まずはコランダムの一種であるルビーとサファイアから始めましょう。 この鉱物は、酸化アルミニウムが六方晶系の結晶構造にしっかりと詰め込まれたときに形成されます。 純粋な形では、コランダムは透明です。 ただし、結晶格子内でクロム イオンがアルミニウム イオンと置き換わることもあります。 それほど時間はかかりませんが、置換されるのはおそらく 100 個の原子のうち 1 個だけです。しかし、その結果生じる不完全さは、クロムが宝石に当たる光から緑または紫の光子を吸収することを意味します。 ただし、赤色光は透過し続け、その鮮やかなルビーの色合いを作り出します。

前述したように、サファイアにはピンク、レッド、イエロー、ゴールド、パープル、ピーチ、シャンパン、そしてもちろん、貴重なブルーなど、さまざまな色があります。 ルビーと同様、サファイアはコランダム格子内でアルミニウムイオンが置換されることで生じます。 今回のみ、それらは鉄とチタンのイオン (10,000 個に 1 個のイオン) に置き換えられます。 特定の波長の光がサファイアに当たると吸収され、電子が鉄からチタンイオンに移動します。 これにより青いサファイアが生まれます。 さまざまな色を生み出すには、鉛、コバルト、シリコン、マグネシウム、クロムなどの他の微量元素がサファイア中に存在する必要があります。

クロムについて言えば、無色の鉱物ベリルのアルミニウムイオンの 1 パーセントを置換すると、非常に異なることが起こります。これにより、赤と黄色の光が吸収され、豊かな緑色のエメラルドが生成されます。

特定の鉱物は、紫外線を照射すると、ホットピンク、鮮やかな黄色、さらにはエイリアンのように見える緑色などの不気味な色合いで輝きます。 この現象は、鉱物内のイオンまたは特定の不純物 (活性剤と呼ばれる) が紫外線光子を吸収し、電子がより高エネルギーの原子軌道に昇進するときに発生します。 電子が基底状態に戻るとき、直接基底状態に戻るのではなく、いくつかの異なるエネルギー軌道を通過します。 これらの遷移の 1 つにより、原子が可視スペクトル内のより長い波長の光子を放出する可能性があります。 これが起こると、鉱物は蛍光と呼ばれるプロセスで「光ります」。

鉱物は、青色 (蛍石や灰重石など)、黄色 (エスペリライト)、赤色 (スミソナイト)、紫 (アパタイト) など、さまざまな色で蛍光を発します。 次に、ブロック状の結晶を含む鉱物であるオーチュナイトがあります。 ほぼ50%がウランでできており、明るい緑色の蛍光を発します。

いくつかの石には虹の色が含まれているように見えます。 たとえば、オパールは見る角度に応じてさまざまな色に輝きます。 これらの石の虹色は、シリカの小さな球の配置と関係しています。 これらの球間の距離は非常に小さく、可視光の波長程度です。 このため、それらは一種の回折格子として機能し、光をその成分色に分離します。

真珠の虹色も同様です。 小さな砂片やその他の異物が貝殻に入ると、貝の中で真珠が形成されます。 ゆっくりと、炭酸カルシウムの一種である真珠層の層で覆われます。 真珠層の厚さは可視光の波長に近いです。 このため、真珠をさまざまな角度から見ると、真珠内のさまざまな層で光が反射します。