光の透過についての疑問です。

質問

光の透過についての疑問です。
最近のここでの質疑（物理でなく科学だったかも知れません）で、真水の光の透過が２００ｍが限度だとの回答がありました。そこでは、物質の中の分子がまばらなために光は透過するのだとも。
そこで疑問なのですが、光ファイバーはガラスだそうですが、数十キロを透過してその間増幅器もないそうです。ガラスはそれほど分子がまばらなのでしょうか。それとも、この透過力には別の原理があるのでしょうか。私は真水とガラスとの透過力の差がこれほどあるとは思えないのです。
全く光を通さない物質もありますよね。これは分子が積極的に光を捉えている、あるいは反射していると考えていいのですよね。
ガラスはそれほど特殊な(光に干渉しない)物質なのでしょうか。それはなぜでしょうか。

回答No.6

ORUKA1951 · ベストアンサー

密度とか、ばらばらとか・・そんなことは忘れてください。
光は波であり粒子としての性質を持っていますが、波として考えると・・光は電磁波です。電場と磁場の変化が相互に振動して伝わる波。
　したがって電荷を持つ物があれば影響を与えるはずですが、大事なことは振動数（＝波長＝エネルギー)が一致するか否かです。
　一休さんの「鐘を指で揺らせる」話をご存じだと思います。お寺の鐘でも指一本で、その鐘の固有振動に一致させて力を加え続ければ揺れ始める話です。

　たとえ話を・・
　水面に、杭がたくさん並んでいます。その杭にドーナツのように「うき」がはまっていて、スプリングで固有に振動数で振動するように取り付けられているとします。そこに波が通過するとき、波の振動数と一致するうきが存在すればうきは振動をします。そのぶん波のエネルギーはうきに移ってしまい、波のエネルギーは減衰します。(エネルギー保存則)
　波を粒子と考えれば可視光線の光の粒子の大きさは、波長が400-700 nm（ナノメーター）程度（nmは100万分の１ミリ）です。水分子の大きさや間隔は数オングストローム(1オングストローム0.1ナノメートル)と小さいのですから、通り抜けるはずはない・・隙間が多いとかばらばらとかは、意味がないとはそういうことです。X線やγ線でないと透過できないなんてことにはならない。
　あくまで物質内部を通過している光は波と考えた方が理解しやすいということです。

　光がその物質を透過するか吸収されるかは、その経路に波の振動数に共鳴しうる「うき」・・電子が存在するか否かです。波の進行速度はその物体内の誘電率(これも電子全体の性質)に依存しますがここでは無視してよい。

　うきに吸収されたエネルギーは、当然周囲の水面を振動させて元の状態に戻ります。吸収するということは放出もするということ。

　金属原子が金属結合をしているときは、すべての電子がいずれかの振動数でも振動できる状態が重なり合っている--伝導帯にあるとか、縮重しているとか--ですから、光は吸収される。

　石英ガラスは、電子が共有結合によってSi-O間に拘束されていて、しかもその振動しうるエネルギーは光線の振動数とはかけ離れているので吸収できない。水はその構造から電子のいくつかが光のエネルギーを吸収しうるということ。
　ただ、たまたま石英ガラスは光通信に使われる波長の光に対して透明と言うだけで、他の振動数の光(電磁波)193.1THzに対しても透明ではないということも忘れないように。

お礼

核心をついたご回答いただきありがとうございました。
私のイメージとしては、物質は分子そのものは隙間なく（液体でも）詰まっているのでしょうが、光の細かい微粒子？が分子の内部を（中心の原子核をかすめて）すっ飛んでいくというようなものでした。光は案外大きく、そんな単純なイメージではないのですね。
石英ガラスと水とはその根本的な物性から光の透過力に差があるのだということがよく分かりました。

回答No.5

hitokotonusi

先の回答を書いてから検索したら，ちょうどいいページがありましたので，ご参照ください．

http://www.tetras.uitec.ehdo.go.jp/mtecnavi/kadai/10000015/3/3-2.html

この図で，77年から80年代にかけて損失を押さえるために大きな努力が払われてきたことがわかります．

お礼

何度もお手数をおかけして申し訳ありません。
ありがとうございました。

補足

前記に補足させていただきます。
光を全く通さない物質が殆どなのに、硬いガラス（の純粋なもの）は何十キロもの厚さを余り減衰もせずに通っていくという極端な現象が理解できなかったわけです。水そのものも同じように通すのなら、結晶化ということがひとつの大きなキーワードなのかとも思ったりします。それで水(真水）の透過度が純度の高いガラスとどう違うのかと質問したのですが、そういった主旨でした。多分、まばらというのは分子内における原子核とそれ以外のもの(何か分かりませんが）の密度も関係していると思うのですが、それにしても、光ファイバーの細さの範囲で何キロも光がすり抜けられるとは(確率的に)思えないのですが、どんなものでしょうか？

回答No.4

hitokotonusi

“まばら”というのはとりあえず忘れてください．

光ファイバーで光を伝送するさいの損失の大きな要因は二つあります．
一つは散乱損失で，もう一つは，吸収による損失です．
光ファイバーはこれらの損失をできる限り減らすために徹底的に
材質が調査され，製法が工夫され，損失を極限まで減らしています．
このため，遠方まで伝送が可能です．

一方，ただの水はこの損失を押さえるための工夫は何もされていません．
しかも液体なので常に密度揺らぎが生じており，それによる散乱もおきます．
そのため，光ファイバーに比べると損失が非常に大きくなっています．
もちろん，きれいな水なら見た目でわかるようなものではないですが，
長距離になると話は別です．

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お礼

早々のご回答ありがとうございます。
＞きれいな水なら見た目でわかるようなものではないですが，
長距離になると話は別です．
私の質問の主旨は、真水(純度１００％）の水と純度１００％のガラスがあったとして、その透過度は理論上差があるのかどうかという疑問から、光の物質内透過という現象はなぜ起きるのか、限度があるのかということをすっきりさせたかったのです。
例えば宇宙線の中には地球を透過するものもあると聞きましたが、光はなぜ簡単に反射したり減衰したりするのか不思議です。
まばら　は原因ではないのですね。

回答No.3

ORUKA1951

そちらでも回答しましたが、「物質の中の分子がまばらなために光は透過する」は無関係です。
　もしそうだととすると、重いものほど光を通さないという結論になりますが、光伝送用のグラスファイバーの密度は2.2(g/cm^3)程度のはず、一方、金属カリウムは0.86g/cm^3しかないのに不透明。
　光に対する性質は、ほとんどがその物質内の電子の影響下にあると考えてよいでしょう。金属はその結合は金属結合と呼ばれる自由に動ける電子で、結合論的には膨大な電子軌道が縮重している状態なので、どのような波長（エネルギー）の光に対しても吸収できるエネルギー準位ギャップを持っている。言い換えれば共鳴できるということ。
　一般的なガラスが小口から見ると色づいて見えるのは、含まれている金属によるものです。（一般的なソーダライムガラスの緑は微量に含まれる鉄によるもの)ガラスに混入している鉄の電子のエネルギーギャップが可視光線の中心あたりと一致する。)

　純粋な石英ガラは、均一（結晶化されていないため方向性がない）で、光を吸収する原因となるエネルギーギャップを持つ電子がたまたまないだけ。

＞これは分子が積極的に光を捉えている
　分子ではない・・ガラスに分子はありえないし・・・積極的ではなく受動的・・。

お礼

早々のご丁寧なご回答ありがとうございまｈした。
純粋な石英ガラスが結晶化されていないということで電子がないということは理解できました。
石英はSi　分子の個体だと理解していたのですが、これは間違いなのですね。
結晶化されていないということは、液体の状態だということだと思います。水(真水）も条件としては同じように思うのですが、どう違うのでしょうか？

補足

>純粋な石英ガラは、均一（結晶化されていないため方向性がない）で、光を吸収する原因となるエネルギーギャップを持つ電子がたまたまないだけ。

光が通過する要因としては、分子？が均一で、エネルギーギャップを持つ電子がない物質だということなのですね。こういった物質は他には存在しないのですか？
川えびのような体が透明な生物も同じ理由なのでしょうか？
均一ということは結晶化されていないということのようですが、液体の状態と同様だということなのですか。真水の透明性はこういったことで説明できるのでしょうか。真水には上記のエネルギーギャップを持つ電子がそこそこ存在するというということなのでしょうか。どうも純度１００％なら透明度も光ファイバーなみになりそうな気がするのですが。

回答No.2

Saturn5

分子がまばらと光の透過性についてはよくわかりません。ごめんなさい。

それよりも大きいのは純度でしょう。
光ファイバー用のガラスは高純度ガラスで９９．９９９９％以上の純度です。
それに対して、一般的な水の純度はそれほど高くありません。

また、光ファイバーを通る光にも違いがあります。
基本的に赤外線が使われ、可視光線よりも散乱されにくく、
遠くまで到達することができます。

お礼

早々のご回答ありがとうございました。
＞一般的な水の純度はそれほど高くありません。
私が質問したのは、真水(純度１００％）と光ファイバーとの透過度の差の真因といったものです。

回答No.1

hiroki45

光ファイバの線は中と外で屈折率の違う材質で作られており　光はその性質において
拡散することなく伝達されるために　増幅の必要が無い　光ファイバその物の透過性も水の比ではなく
窓ガラスとは違う材質の物です　短い文面で全てを計ることは難しいので　質問者様の　希望する
回答にはならないと思いますが　光ファイバの特性で　もう少し検索して
考え方を　整理された方が宜しいと思います

お礼

早々のご回答ありがとうございます。
光ファイばーが光を導くメカニズムはある程度理解している積りです。
＞光ファイバその物の透過性も水の比ではなく
これが何に原因しているのか？というのが質問の主旨です。
光ファイバーのガラスの純度が高いことも存じておりましたが、その先を知りたく質問した次第です。