なぜ金は金色で、黄鉄鉱も金色なの？

鉱物の「色」を電子から考えてみる

 

鉱物を眺めていると、不思議に思うことがあります。

なぜルビーは赤いのか。
なぜアメシストは紫なのか。
なぜダイヤモンドは透明なのか。

そして、なぜ金は金色で、よく似た色をした黄鉄鉱（パイライト）も金色なのでしょう？

 

「金属だから金色なんじゃないの？」

と思うかもしれません。

ところが、これは違います。

銀は銀色ですし、アルミニウムも銀白色。
銅は赤みを帯びています。

実は鉱物や金属の色を突き詰めていくと、その正体は電子のエネルギー構造にたどり着きます。

今回は少しだけ大学の物理学に踏み込んで、「鉱物の色」を考えてみましょう。

 

そもそも「色」とは何なのか？

まず、太陽光や白色LEDの光には、さまざまな波長の光が含まれています。

私たちが見ている可視光は、おおよそ400〜700 nm程度。

 

青い光は波長が短く、赤い光は波長が長い。

そして光にはエネルギーがあります。

その関係は、「E = hc/λ」と表されます。

（E:光子一個のエネルギー、h:プランク定数、c:真空中の光速、λ:光の波長）

つまり、「波長が短い光ほどエネルギーが高い」ということです。

 

物質に光が当たると、その一部は反射され、一部は吸収されます。

ここで重要なのが電子です。

物質の中の電子は、どんなエネルギーでも自由に取れるわけではありません。

量子力学的には、電子には「許されたエネルギー状態」があります。

たとえば電子が、

「低いエネルギー状態 → 高いエネルギー状態」

へ移動するためには、その差にちょうど対応するエネルギーの光を吸収する必要があります。

つまり、どの色の光を吸収するかは、物質の電子構造によって決まるのです。

これが、鉱物の色を理解する最初の鍵です。

 

金が「金色」なのは、金属だからではない

ここで金を見てみましょう。

金はピカピカしています。

これは、金属中の電子が光と強く相互作用し、光を効率よく反射するためです。

ところが、同じ金属でも銀は白っぽい。銅は赤っぽい。

つまり、「金属＝銀色」でもなければ、「金属＝金色」でもありません。

では、なぜ金だけがあんな色をしているのでしょう？

ここで突然、アインシュタインの相対性理論が登場します。

 

金色を生み出す「相対論的効果」

金の原子番号は79。

原子核には79個の陽子があります。

原子核の電荷が大きいため、原子核に近い電子は非常に強い電場の中を運動することになります。

特に金のような重い元素では、電子の運動を考えるときに特殊相対性理論による補正を無視できなくなります。これを「相対論的効果」と呼びます。

難しそうですが、ざっくり言えば、「重い原子では、電子の運動が相対論的な影響を受け、電子のエネルギーや軌道の大きさが変化する」ということです。

 

金では特に6s軌道が収縮し、エネルギーが低下します。

その結果、5d軌道とのエネルギー差が変化します。

そして、このエネルギー差が可視光のエネルギー領域に関係してくる。

すると金は、可視光の中でも青〜青緑色付近の光を比較的吸収しやすくなります。

青色の光が少なくなり、残った光が黄色〜赤色寄りになる。

その結果、私たちは金を「金色」と感じるわけです。

 

金色というのは単なる表面の色ではなく、金原子の電子構造が生み出した色なのです。

 

では、銀はなぜ銀色？

ここで金と銀を比べてみましょう。銀も金も、電子配置には似たところがあります。

しかし銀は原子番号47。金ほど原子核の電荷が大きくありません。

そのため、金ほど強い相対論的効果を受けません。

 

結果として、銀では可視光の範囲で特定の色だけを強く吸収する作用が比較的小さくなります。

赤、緑、青など、さまざまな可視光を比較的均等に反射するため、私たちには白〜銀色に見えます。

つまり、金と銀が違う色なのは、単に「金は黄色い金属だから」ではなく、電子のエネルギー構造が違うからなのです。

 

銅が赤いのも同じ考え方

銅は赤みのあるオレンジ色をしています。

これも、銅の電子構造によって可視光の一部が吸収されるためです。

つまり、

金 → 黄色
銀 → 銀白色
銅 → 赤〜橙色

という違いは、金属の表面に「黄色」「赤色」の染料が塗られているからではありません。

それぞれの電子構造が、光を選択的に吸収・反射しているのです。

 

では、黄鉄鉱はなぜ金色なの？

ここで本題です。

黄鉄鉱の化学式は、FeS₂です。

英語ではPyrite（パイライト）。「愚者の金（fool’s gold）」という名前でも知られています。

見た目は金にそっくり。

特に結晶面を磨くと、非常に美しい金属光沢を見せます。

では、黄鉄鉱にも金が含まれているのでしょうか？

もちろん違います。金は入っていません。

では、なぜ金色なのでしょう？

 

黄鉄鉱では「Fe」と「S」の電子構造を見る

黄鉄鉱は、鉄と硫黄からできています。

ここで少しだけ構造を覗いてみましょう。

黄鉄鉱の硫黄は、単独で存在しているわけではありません。

S—S

という硫黄同士のペアを作っています。

この構造と鉄の電子軌道が相互作用します。

特に鉄の3d軌道と、硫黄の電子状態との相互作用が重要です。

結晶全体では、これらの電子状態が非常にたくさん集まって、「バンド構造」と呼ばれるものを形成します。

 

「バンド構造」って何？

原子1個だけなら、電子には「このエネルギー」「このエネルギー」という離散的なエネルギー準位があります。

ところが、原子が何億、何兆個と規則正しく並んで結晶を作ると、それぞれの原子の電子状態が互いに影響し合います。

すると、1つだったエネルギー準位が、非常に細かく分裂します。

その大量のエネルギー状態が集まったものが、エネルギーバンドです。

そして、「どのエネルギーに電子が存在できるのか」「どのエネルギーの光を吸収できるのか」といったことが、このバンド構造によって決まります。

 

鉱物の「色」は電子の席替え？

少しイメージしやすくしてみましょう。

電子を、劇場の座席に座っている観客だと考えてみます。

低いエネルギーの席から高いエネルギーの席へ移動するには、階段を上らなければいけません。

その「階段の高さ」にちょうど合うエネルギーを持った光がやってくると、電子が光を吸収して上の席へ移動します。

逆に、そのエネルギーに合う光がなければ、その光は吸収されにくい。

つまり、どの色の光を吸収できるか＝電子がどんなエネルギー状態を持っているかなのです。

黄鉄鉱の場合、この電子構造によって可視光の吸収・反射の仕方が決まり、黄色〜黄白色の金属光沢として見えてきます。

 

金と黄鉄鉱は「同じ理由」で金色なの？

大枠では同じです。

どちらも、「電子のエネルギー構造によって、波長ごとの光の吸収・反射が変わる」ことで色が生まれています。

しかし、細かい仕組みは違います。

 

金

金原子の電子構造

↓

強い相対論的効果

↓

5d・6s/6pのエネルギー関係が変化

↓

可視光の一部を吸収

↓

黄色〜赤色の光が相対的に残る

↓

金色

 

黄鉄鉱

FeとS₂からなる結晶

↓

Feの3d軌道とSの電子状態が相互作用

↓

結晶のバンド構造

↓

波長ごとに異なる光の吸収・反射

↓

黄色〜黄白色の金属光沢

↓

金色に見える

 

では、ダイヤモンドはなぜ透明なの？

ここまで来ると、ダイヤモンドも同じ理屈で説明できます。

ダイヤモンドは炭素だけからできています。

炭素原子が非常に強い共有結合で三次元的な結晶構造を作っています。

その結果、電子のエネルギー状態には大きなバンドギャップがあります。

可視光のエネルギーでは、電子を簡単に次の状態へ励起できません。

つまり、可視光をあまり吸収しない。

だから光が結晶を通り抜け、「透明」に見えます。

ただし紫外線側では吸収が強くなってくるため、青白く蛍光するものも多いです。

 

ルビーが赤いのは？エメラルドが緑なのは？

ルビーの基本組成はAl₂O₃。

純粋な酸化アルミニウムなら無色透明ですが、そこに微量のクロム（Cr）が入ります。

このクロムイオンの電子状態が、可視光の一部を吸収します。

特定の波長の光が吸収され、赤い光が相対的に残る。

だからルビーは赤く見えます。

• ルビー：Al₂O₃（コランダム）中の Al³⁺ の一部を Cr³⁺ が置換
  → 主に緑〜青緑側の光を吸収
  → 残った赤色が強く見える

 

エメラルドも同じくクロム（Cr）が色起因ですが、緑色に見えます。

• エメラルド：Be₃Al₂Si₆O₁₈（ベリル）中の Al³⁺ の一部を Cr³⁺（＋場合によってV³⁺）が置換
  → 赤色域と青紫色域を吸収し、緑色域が比較的残る
  → 緑色に見える

 

アメシストが紫なのも電子のおかげ

アメシストでは、鉄イオンなどの不純物や結晶中の欠陥が色の形成に関係しています。

つまり、「紫色の物質が入っているから紫」という単純な話ではありません。

結晶の中に存在する原子や欠陥の電子状態が光を選択的に吸収し、その結果として紫色が見えているのです。

紫外線などの強いエネルギーを当て続けると色が薄くなってしまうため、直射日光の当たるところに置くのは避けましょう。

 

鉱物を見るとき、「色」から電子が見えてくる

ここまで来ると、鉱物の色の見え方が少し変わってきませんか？

目の前に金色の黄鉄鉱があるとします。

これまでは、「きれいな金色だな」だったものが、

「この結晶の中ではFeとSの電子状態が相互作用しているんだな」と考えられるようになります。

金色の金を見れば、

「金原子では相対論的効果によって電子のエネルギー構造が変わっている」と考えられる。

透明なダイヤモンドを見れば、

「可視光のエネルギーでは電子を励起しにくいほどバンドギャップが大きいんだ」と考えられる。

赤いルビーや緑のエメラルドを見れば、

「Crの電子状態が特定の波長を吸収しているんだ」と考えられる。

 

「石の色」は、石の中の電子から届いた情報

鉱物の色は、単なる表面の装飾ではありません。

私たちが見ている色は、

光 → 結晶 → 電子 → 光

という相互作用の結果です。

太陽や照明から来た光が鉱物に当たり、鉱物の中の電子構造によって一部の光が吸収され、残った光が私たちの目に届く。

 

その情報を、私たちの脳が「赤」「青」「黄色」として認識しています。

そう考えると、鉱物の色は、地球上の物質が持っている電子構造を、私たちの目で見ているとも言えます。

 

鉱物を「色」から「電子」で見る

鉱物は、何億年も前からそこに存在している美しい石です。

でも、その美しさの奥には、

量子力学
電子軌道
エネルギー準位
バンド構造
光と物質の相互作用

という、目には見えない世界があります。

 

「なぜこの石はこの色なんだろう？」

その疑問から少しだけ物理学を覗いてみる。

すると、鉱物は単なる「きれいな石」ではなく、地球上の物質が持つ電子構造を目で見て楽しめる、巨大な自然科学の標本にも見えてきます。

 

鉱物&カフェ Mineral Muruでは、そんな「見るだけで終わらない鉱物の面白さ」も、できるだけわかりやすくお伝えしています。