ガラスを透明にするものは何ですか？

家が建てられるのを見たことがありますか？大工はまず、2 x4のスタッドを使用して構造の基本的な骨格を組み立てます。次に、間柱に外装（通常は合板）を釘付けして壁を作ります。ほとんどの壁には、フレーム内に配置されたガラスのシートを保持する窓の開口部が含まれています。窓は光が入るので、家を明るく、暖かく、居心地の良い雰囲気にします。しかし、なぜガラス窓はそれを囲む木よりも透明でなければならないのでしょうか？結局のところ、両方の材料はしっかりしていて、両方とも雨、雪、風を防ぎます。それでも、木は不透明で光を完全に遮断しますが、ガラスは透明で日光が妨げられることなく流れます。

一部の人々、一部の科学教科書でさえ、木は真の固体であり、ガラスは非常に粘性の高い液体であると言ってこれを説明しようとしているのを聞いたことがあるかもしれません。次に彼らは、ガラスの原子がさらに離れて広がり、これらのギャップが光を絞り通すと主張します。彼らは、寒い日の糖蜜のゆっくりとした這い回りのように窓が何年にもわたって「流れた」証拠として、しばしば波状で不均一に厚く見える何世紀も前の家の窓を指し示すことさえあります。

実際には、ガラスは液体ではありません。これは、アモルファス固体として知られる特殊な種類の固体です。これは、原子と分子が所定の位置に固定されている状態ですが、きちんとした整然とした結晶を形成する代わりに、ランダムに配置されます。その結果、ガラスは固体のように機械的に剛性がありますが、液体のように分子の配置が乱れています。アモルファス固体は、固体物質が高温で溶けてから急速に冷却されると形成されます。これは、急冷と呼ばれるプロセスです。

多くの点で、ガラスはセラミックのようなものであり、耐久性、強度と脆性、高い電気抵抗と熱抵抗、化学反応性の欠如など、すべての特性を備えています。酸化ガラスは、板ガラス、板ガラス、容器、電球に見られる市販のガラスと同様に、もう1つの重要な特性があります。それは、可視光と呼ばれるさまざまな波長に対して透明です。その理由を理解するには、ガラスの原子構造を詳しく調べ、光子（光の最小粒子）がその構造と相互作用したときに何が起こるかを理解する必要があります。

次にそれを行います。

まず、電子が原子の核を取り囲み、さまざまなエネルギー準位を占めていることを思い出してください。より低いエネルギーレベルからより高いエネルギーレベルに移動するには、電子はエネルギーを獲得する必要があります。反対に、より高いエネルギーレベルからより低いエネルギーレベルに移動するには、電子はエネルギーを放棄する必要があります。いずれの場合も、電子は個別の束でのみエネルギーを獲得または放出できます。

次に、光子が固体物質に向かって移動し、固体物質と相互作用することを考えてみましょう。次の3つのいずれかが発生する可能性があります。

もちろん、ガラスはこの最後のカテゴリーに分類されます。光子は、ガラスの電子をより高いエネルギーレベルに励起するのに十分なエネルギーを持っていないため、材料を通過します。物理学者は、エネルギー準位がエネルギーバンドとして知られている領域に一緒に存在すると言うバンド理論の観点からこれについて話すことがあります。これらのバンドの間には、バンドギャップと呼ばれる領域があり、電子のエネルギーレベルはまったく存在しません。一部の材料は、他の材料よりも大きなバンドギャップを持っています。ガラスはそれらの材料の1つです。つまり、電子は、あるエネルギーバンドから別のエネルギーバンドにスキップして元に戻る前に、はるかに多くのエネルギーを必要とします。可視光の光子—紫、藍、青、緑、黄色、オレンジ、赤の色に対応する400〜700ナノメートルの波長の光—このスキップを引き起こすのに十分なエネルギーがないだけです。その結果、可視光の光子は吸収または反射されるのではなくガラスを通過し、ガラスを透明にします。

可視光よりも短い波長では、光子はガラス電子をあるエネルギーバンドから別のエネルギーバンドに移動させるのに十分なエネルギーを持ち始めます。たとえば、波長が10〜400ナノメートルの紫外線は、窓ガラスのガラスなど、ほとんどの酸化物ガラスを通過できません。これにより、建設中の架空の家の窓を含む窓が、木材が可視光に対してであるのと同じように、紫外線に対して不透明になります。

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初版：2000年6月19日

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