黒い服は日なたで熱くなりやすく、色のついたガラスは特定の色の光を通しにくくなります。植物の葉やインク、金属、半導体なども、当たった光をすべてそのまま通したり反射したりするわけではありません。光の一部は物質の中に取り込まれます。これが光の吸収です。
では、なぜ物質は光を吸収できるのでしょうか。結論からいうと、光の電磁場や光子が物質中の電子や原子・分子の運動と相互作用し、光が持つエネルギーを物質側へ渡せる条件がそろうからです。吸収されたエネルギーは、電子の励起、分子の振動や回転、格子振動、熱、発光、化学反応などへ移っていきます。
ただし、どんな光でも同じように吸収されるわけではありません。物質には取り込めるエネルギーの状態があり、光の周波数や波長、物質の電子構造や分子構造によって、吸収されやすさが変わります。この記事では、光が吸収される基本原理から、色や熱との関係まで順に説明します。
光の吸収とは何が起きている状態なのか
光が物質に当たると、大きく分けて反射、透過、散乱、吸収などが起こります。吸収とは、入ってきた光のエネルギーの一部または全部が、物質内部の別のエネルギーへ移ることです。
たとえば透明なガラスに可視光を当てると、多くの光は透過します。一方、黒い布では可視光の多くが内部で吸収され、最終的に熱へ変わります。色素では特定の波長だけが強く吸収され、残った光が反射・透過して色として見えます。
つまり「光が吸収された」というのは、光が単に消滅したという意味ではありません。エネルギー保存則に従い、光が持っていたエネルギーが物質側のエネルギーへ移ったということです。
光は物質中の電荷と相互作用する
光は電磁波であり、時間的に変化する電場と磁場を持っています。物質の中には電子や原子核などの電荷を持つ粒子があるため、光の電場がそれらに力を及ぼします。
特に光との相互作用で重要なのが電子です。光の電場によって電子の運動が揺さぶられると、条件によっては光のエネルギーが電子系へ渡されます。原子や分子では電子がより高いエネルギー状態へ移り、固体では電子が別のバンドへ移ることもあります。
量子的には、光のエネルギーは光子という単位で扱えます。一つの光子のエネルギーは、周波数をν、プランク定数をhとするとE = hνで表されます。周波数が高い光ほど、一つの光子が持つエネルギーは大きくなります。
J-STAGEに掲載された分子科学研究所の解説でも、分子は光子を吸収してエネルギーを得て励起状態へ移り、分子ごとの励起エネルギー準位と遷移確率が固有の吸収スペクトルを生むと説明されています。
なぜ特定の波長だけが吸収されるのか
原子や分子の内部では、電子が持てるエネルギーは連続ではなく、量子化された状態として存在します。ある状態から別の状態へ移るには、その二つの状態のエネルギー差に対応するエネルギーが必要です。
光子のエネルギーがその差に合えば、電子は光子を吸収して高いエネルギー状態へ移ることができます。逆に、エネルギーが合わなければ、その光は吸収されにくくなります。
NISTは、原子や分子がそれぞれ固有の周波数の光を吸収し、その吸収パターンが物質を見分ける「スペクトルの指紋」になると説明しています。吸収された光のエネルギーによって、電子はより高いエネルギー配置へ移ります。
このため、同じ厚さの物質でも、赤い光はよく通すのに青い光は強く吸収する、といった違いが生じます。光の吸収は、物質の内部構造を直接反映しているのです。
エネルギーが一致すれば必ず吸収されるわけではない
光子のエネルギーと物質のエネルギー差が一致することは重要ですが、それだけで吸収の強さが決まるわけではありません。
量子力学では、二つの状態の間で光による遷移がどの程度起こりやすいかが決まっています。電子状態の対称性や偏光方向などによって、起こりやすい遷移と起こりにくい遷移があります。これを説明する考え方が選択則です。
そのため、「エネルギー差が同じならすべて同じ強さで吸収する」とは限りません。実際の吸収スペクトルでは、非常に強い吸収線もあれば、弱い吸収線やほとんど現れない遷移もあります。
物質ごとに吸収スペクトルが異なるのは、エネルギー準位の違いだけでなく、こうした遷移の起こりやすさも異なるためです。
分子では電子だけでなく振動や回転も光を吸収する
分子には、電子の状態以外にもさまざまな運動があります。原子同士の結合が伸び縮みする振動や、分子全体が向きを変える回転です。
これらの運動にも量子化されたエネルギー準位があります。そのため、光のエネルギーが対応する差に合えば、分子はその光を吸収できます。
一般に、分子の電子状態の変化には可視光や紫外線が関係することが多く、分子振動には赤外線、分子回転にはマイクロ波などが関係します。ただし、実際の分子では電子・振動・回転が組み合わさるため、吸収スペクトルはより複雑になります。
赤外分光法で分子の種類を調べられるのは、分子ごとに結合の振動パターンが異なり、吸収する赤外線の周波数にも特徴が現れるためです。
固体では光吸収の仕組みがどう変わるのか
固体では、多数の原子が近接して並ぶため、孤立した原子のような離散的な電子準位だけでは説明できません。電子が存在できるエネルギー範囲は、価電子帯や伝導帯などのエネルギーバンドとして表されます。
半導体では、光子が十分なエネルギーを持っていると、価電子帯の電子を伝導帯へ励起できます。必要な最小エネルギーはバンドギャップと関係します。
このため、バンドギャップより小さいエネルギーの光は比較的通りやすく、十分大きなエネルギーの光は強く吸収されることがあります。太陽電池や光センサーでは、この光による電子励起が重要な役割を果たしています。
金属では自由に動きやすい電子が多く、光との相互作用はさらに異なります。可視光の多くが強く反射される一方、条件によって吸収も起こり、そのエネルギーは電子の運動や格子振動を通じて熱へ移ります。
吸収された光のエネルギーはどこへ行くのか
光を吸収した直後、物質はより高いエネルギー状態になります。しかし、その状態が永遠に続くわけではありません。
励起された電子や分子は、さまざまな経路で低いエネルギー状態へ戻ります。代表的な行き先には次のようなものがあります。
- 振動や格子振動へエネルギーを渡し、熱になる
- 光を再び放出し、蛍光やりん光として見える
- 電子移動や結合の変化を起こし、化学反応につながる
- 別の粒子へエネルギーを渡す
黒い物体が日光で熱くなるのは、吸収された可視光や赤外線などのエネルギーが、最終的に原子や分子の無秩序な運動へ移るためです。
一方、蛍光物質では吸収したエネルギーの一部が別の光として放出されます。吸収された光のエネルギーが必ずすべて熱になるわけではありません。
なぜ黒い物体は光を吸収しやすいのか
物体が黒く見えるのは、目に入る可視光が少ないからです。多くの場合、可視域の広い範囲を強く吸収し、反射する光が少ないため黒く見えます。
逆に白い物体は、可視光の広い波長範囲を比較的強く反射・散乱するため白く見えます。赤い物体なら、赤付近の光を比較的よく反射し、それ以外の可視光をより強く吸収するため赤く見えます。
ただし、「黒ければすべての波長を必ず強く吸収する」という意味ではありません。人間が見る色は可視光の範囲だけで決まります。可視光では黒く見えても、赤外線では反射率が高い材料もあります。
光の波長成分と色の見え方については、関連記事「なぜ光の波長成分の違いを私たちは色として感じるのか？」で詳しく解説しています。
反射と吸収は何が違うのか
反射では、光が物質の境界と相互作用した結果、エネルギーの多くが再び光として外側へ戻ります。吸収では、光のエネルギーが物質内部の電子や振動などへ移ります。
現実の物質では、反射と吸収のどちらか一方だけが起こるとは限りません。たとえば金属に光を当てると強い反射が起こりますが、一部は吸収されて熱になります。ガラスでも、表面で一部が反射し、内部を進む間に波長によっては吸収されます。
反射の基本原理については、関連記事「なぜ光は物質の境界で反射するのか？」で確認できます。
光を吸収すると影ができるのか
不透明な物体が光を遮ると、その後ろに影ができます。その物体が光を吸収することは影を作る一因ですが、影の形成には反射も関係します。
光が物体に当たったとき、吸収されても反射されても、元の方向へそのまま通過する光は減ります。その結果、物体の後ろ側には直接光が届きにくい領域ができます。
つまり、影を作るために必要なのは「光が元の進路のまま通り抜けないこと」であり、吸収だけが唯一の原因ではありません。影の仕組みについては、関連記事「なぜ物体に光が当たると影ができるのか？」で詳しく解説しています。
厚い物質ほど光が通りにくくなるのはなぜか
光が吸収性のある物質の中を進むと、進む距離が長いほど、吸収される機会が増えます。そのため一般には、同じ材料なら厚いほど透過光は弱くなります。
均一な物質で単純化できる場合、透過する光の強度は距離に対して指数関数的に減少します。吸収分光では、この性質を利用して、ある物質がどれだけ含まれているかを調べます。
NISTが解説する吸収分光でも、試料を通過した光から「どの周波数の光がどれだけ失われたか」を測ることで、原子や分子の種類や濃度を調べます。光の吸収は、単なる損失ではなく、物質の中身を読み取る情報にもなるのです。
吸収スペクトルから何がわかるのか
波長ごとの吸収の強さを測ったものが吸収スペクトルです。原子や分子は、それぞれ異なるエネルギー構造を持つため、吸収スペクトルにも固有の特徴が現れます。
OpenStaxは、水素原子などでは電子のエネルギー準位の差に合う光子だけが吸収され、吸収線が形成されることを説明しています。天文学では、星から届く光の吸収線を調べることで、星の大気にどの元素が含まれているかを推定できます。
同じ考え方は化学分析にも使われています。可視・紫外吸収分光、赤外分光、X線吸収分光などでは、異なるエネルギー領域の光を使って、電子状態や分子振動、元素周辺の構造などを調べます。
物質が光を吸収するという現象は、物質の内部構造を知るための重要な窓になっています。
まとめ
物質が光を吸収するのは、光の電磁場や光子が物質中の電子、分子振動、格子振動などと相互作用し、光のエネルギーを物質側へ移せるからです。
- 吸収とは、光のエネルギーが物質内部の別のエネルギーへ移る現象である
- 光子のエネルギーは周波数によって決まり、物質のエネルギー差と合うと吸収が起こりやすい
- 吸収の強さはエネルギー差だけでなく、遷移の起こりやすさにも左右される
- 分子では電子遷移だけでなく、振動や回転も光を吸収する
- 固体ではエネルギーバンドや自由電子などが吸収に関係する
- 吸収されたエネルギーは、熱、発光、化学反応などへ移る
- 物質ごとの吸収スペクトルは、内部構造を調べる手がかりになる
したがって、光の吸収は「光が消える現象」ではありません。光と物質が相互作用し、光が運んでいたエネルギーが物質内部の自由度へ受け渡される現象です。そして、どの波長がどれだけ吸収されるかには、その物質の電子構造や分子構造が反映されています。
参考資料
- 坂田忠良「光と分子：光の吸収・放出とスペクトル」化学と教育
- NIST: Spectroscopy: A Measurement Powerhouse
- OpenStax Chemistry: Atoms First 2e, Electromagnetic Energy
- OpenStax Astronomy 2e: Formation of Spectral Lines
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