宝石がなぜこんなに美しいのかお話ししましょう

18,000年も前に、北京の周口店にある北京原人の遺跡から、動物の歯と骨で作られたネックレスが発見されました。これらはおそらく人類が作った最も古い「宝石製品」です。宝石は美しく、希少で、耐久性に優れています。自然界には3,000種類以上の鉱物が存在しますが、そのうち宝石の原料として使えるのは約230種類だけです。国際宝飾品市場には、中級から高級の宝石が 20 種類以上存在しません。これは、鉱物岩石が宝石になるためには特定の条件を満たす必要があることを示しています。宝石は多くの鉱物岩石のエッセンスです。ダイヤモンド、サファイア、ヒスイは宝石の世界で代表的なものです。

宝石がこれほど高い価値を持つための第一の条件は美しさです。宝石はどのようにして光と相互作用してまばゆいばかりの輝きを生み出すのでしょうか?

火は無色のダイヤモンドを宝石の王様にする

ダイヤモンド自体は無色ですが、太陽光にさらされるとファイアと呼ばれるさまざまな色彩効果を発揮します。火災の根本的な原因は、ダイヤモンドの分散効果が比較的強いことです。白色光がガラス製のプリズムを通過すると、プリズムは光を屈折させます。プリズムは、異なる色の光を偏向させる異なる能力を持ち、異なる色の光を分散させます。これが光の分散効果です。

（プリズムを通過する光の分散効果）

分散値は、材料の分散効果の強さを評価するために使用されます。分散効果が弱い材質の場合、光が通過した後も色はあまり分散されず、分散値が低くなります。逆に分散値は高いです。ガラスの分散値は約0.009ですが、ダイヤモンドの分散値は0.044に達します。比較すると、サファイアの分散値はわずか 0.018 です。ダイヤモンド自体には色がありませんが、分散値が極めて高いため、見事な輝きを放ち、また、精巧なカットと研磨技術により、輝きはさらに鮮やかに表現されます。普通の透明なガラスをダイヤモンドの形にカットすると、より美しい炎を作り出すこともできます。

（ダイヤモンドの輝き）

強い分散能力は宝石にとっては良いことですが、眼鏡レンズや光学レンズでは補正が必要な光学的欠陥です。眼鏡レンズの分散値が高すぎると、物体の端に色の付いた縁が現れます。分散レンズで撮影した写真では、物体の端に紫色の縁が現れます。

キャッツアイとスターライト効果**、ライトは****スマートです**

宝石によっては、光にさらされると明るい光の帯が現れます。光が移動すると、明るい帯も一緒に移動します。この光沢はキャッツアイの光沢に似ています。この光学効果はキャッツアイ効果と呼ばれ、これらの宝石はキャッツアイ石とも呼ばれます。

天然宝石は複雑な地質環境で形成されます。異物の混入や温度・圧力の変化は宝石の成長に影響を与え、宝石の内部に特定の痕跡を残します。これらの痕跡は介在物と呼ばれます。キャッツアイの内部には、密集した平行配向した繊維状介在物の集合体（平行に分布した細い縞状で、大きさは約0.01mm～0.1mm）が存在します。これらの内包物は光を屈折、反射し、明るい光の帯のような効果を生み出します。たとえば、キャッツアイサファイアには二酸化チタン（ルチルとも呼ばれる）の不純物が含まれています。ルチルはサファイアの中に微細な繊維状に配列されており、光にさらされると帯状の斑点を作り出します。

スターライト効果は、キャッツアイ効果のアップグレード版です。スターライト効果のある宝石の内部の含有物は、交差して分布する細い繊維です。光の下では、複数のキャッツアイストライプが星の光のようなストライプを形成します。

このような効果は人生においても非常に一般的です。雨の日、車のサイドウィンドウを上げたり下げたりすると、表面に細かい水跡が残ります。これらの線は猫の目の中の含有物のような働きをします。夜に車の窓から外の街灯を見ると、光源に付随して細長い水平の光点も見えていることがわかります。同様に、携帯電話のレンズが誤って油で汚れて同じ方向に縞模様が形成されると、撮影光源も縞模様の方向と垂直な光点を生成します（意図的に油で汚れを塗ることもできますので、試してみてください）。これが光の散乱効果です。構造が細かくなるほど、散乱角度が大きくなります。縦縞の水平構造は垂直構造よりもはるかに細かいため、水平方向に大きな角度の散乱が発生し、水平縞が形成されます。 。

遊色効果**、宝石の自然な微細構造**

宝石の内部にはナノメートルレベル（100～300nm）の微細構造が存在します。光がこれらの微細構造を通過すると、干渉と回折効果が発生します。色の斑点を形成します。

最も顕著な遊色効果を持つ宝石はオパール（オパールとも呼ばれます）です。オパールは二酸化ケイ素の水和物です（二酸化ケイ素はガラスの主成分でもあります）。下の図はオパールの分子配列を示しています。二酸化ケイ素の球は、間に隙間をあけて規則的なパターンで配置されています。これらの隙間は、光の回折を引き起こす可能性のある自然の微細構造のようなものです。生成される色は配列周期と光の波長に関係します。マクロ的に見ると、色とりどりの光の斑点が形成されます。隙間の大きさによって光の回折効果も異なり、最終的には七色、五色、三色オパールなどさまざまな色のオパールとして現れます。

出典: 参考文献1

私たちの日常生活には回折現象が数多く存在します。たとえば、DVD ディスクの表面には円形の溝があります。これらの溝の幅は約 500 ナノメートル、溝間の間隔は約 700 ミクロンです。太陽光の下では、ディスクの表面に色とりどりの斑点が現れます。これは光の回折効果によって起こります。蝶の羽も微細構造で覆われています。モルフォ蝶の羽の鮮やかな青色も光の回折効果によって形成されます。

人工宝石が登場しました。宝石はもう不足しなくなるのでしょうか? **

誰もが美しいものを追い求めますが、宝石の希少性は人々を躊躇させます。今日では、技術の進歩により、高温高圧法で作られた人工ダイヤモンドなどの宝石を作るのに必要な過酷な条件を人間が作り出すことが可能になりました。これらの方法は、極めて高い温度と圧力下でグラファイトをダイヤモンドに変換することにより、天然ダイヤモンドの形成プロセスを模倣することができます。ダイヤモンドは産業用途（ダイヤモンドは非常に硬く、研磨材として利用可能）に使用されるほか、生産されたダイヤモンドは宝石に加工することもできます。同様に、人工ルビーやサファイアなども産業界で広く使用されているだけでなく、人々がより低価格で美しい装飾品を購入することも可能にします。

次に宝石を鑑賞する時には、きっと自然の驚異にさらに感動するでしょう。

参考文献:

[1] 張北麗体系的宝石学[M]。地質学出版社、2006年。

[2] 曾広策、朱雲海、葉徳龍。結晶光学と光学鉱物学[M]中国地質大学出版局、2006年。

[3] 楊国光、宋飛軍。先端物理光学[M]中国科学技術大学出版局、2008年。

著者: 呉青、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所大学院生

査読者：中国科学院高エネルギー物理研究所研究員 李明