Transcript 建築材料科学

１１．建築材料の光特性

光の入射・反射・吸収・透過



材料表面での反射
粒界、気孔、相境界での散乱
粒内欠陥・イオンによる吸収
１１．建築材料の光特性

反射


入射角φ1=反射角φ
反射率=反射波の強さ／入射波の強さ





入射角が大きいほど、反射率大
表面が平滑な（吸収が少ない）ほど、反射率大
鏡面反射（正反射）：平滑面での反射
乱反射（拡散反射）：凹凸面での反射→散乱光
反射率への影響因子
 物質の種類
 温度
 波長
 金属の反射率：波長が短いほど小さい
１１．建築材料の光特性

屈折

屈折率（媒質１に対する媒質２の屈折率）
n 12 
sin  1
sin  2

v1
v2
v1, v2：媒質１および媒質２の光の伝播速度

波長の影響
 波長の長い光：屈折率小、波長の短い光：屈折率大

密な物質ほど、光の波長が短く、伝播速度は遅くなる
 密度が大きいほど、屈折率大

フリントガラス
 鉛含有量が多いほど、屈折率大
真空に対する屈折率（光の波長：5.983Å）
物質
屈折率
物質
屈折率
ソーダ石灰ガラス
1.5171
ダイヤモンド
2.4173
軽クリスタルガラス
1.5803
水（20℃）
1.3330
重クリスタルガラス
1.6555
乾いた空気（15℃）
1.00028
１１．建築材料の光特性

吸収・透過


物質中 吸収・散乱→光の強さの減少
速度の減少
I0=Ia+Is+It
I0：入射光の強さ
Ia：tの距離を進む間に吸収された光の強さ
Is：管の側面から散乱により失われた光の強さ
It：透過光の強さ

真の吸収Iaは少なく、ほとんどが散乱光Is
 吸収した光の強さIa → 熱エネルギー → 放出

透過率
=It/I0
１１．建築材料の光特性

吸収

光の持つエネルギー
E  h  h
c

h：プランク定数、ν：光の振動数、c：光の速度、λ：光の波長


波長が短いほど光のエネルギーは大きい
光⇔物質中の電子でのエネルギーの授受

物質の電子
特定の波長の光だけからエネルギーを享受
高エネルギー状態（励起状態）
１１．建築材料の光特性

吸収

セラミックス

エネルギーバンド構造
バンドギャップエネルギーを持つ光の照射
 大部分のセラミックス
 400nm以下の波長に対応するバンドギャップエネルギー
 可視光は吸収されず透過
 小さな結晶粒界面での散乱のため光は透過しない


価電子帯の電子が吸収
電子が伝導帯に励起
１２．建築材料の光特性
１１．建築材料の光特性

透過光の強さ（ランバート-ベアの法則）
It=I0(1-R)2exp(-βt)
R：表面での反射率
=(n-1)2/(n+1)2
n：屈折率
β：吸収係数
 粒内での光吸収
 粒界、気孔、相境界での散乱（セラミックスの光透過性低下の原因）

セラミックスが透明になる条件
 焼結密度100%（気孔率≒0）
 異相が存在しない
 結晶の異方性（結晶軸の方向による屈折率の相違）が小さい
１１．建築材料の光特性

色の混合

減色混合




着色フィルターを重ね合
わせて透過光を見る場合
暗くなる
黄色＋青色→緑色
加色混合



スクリーン上に同時に異
なった色光を当てて混色
を行う場合
明るくなる
青色＋黄色→白色
１１．建築材料の光特性

建築材料の色

セラミックスの主成分



シリカ（SiO2）、アルミナ（Al2O3）、アルカリ・アルカリ土類イオン
単体では無色
宝石

セラミックスと同じ成分、着色
 微量の遷移金属イオンによる光吸収
 母体物質の構造にも依存
 「結晶場の理論」
 水分も吸収
Cr3+
Fe2+，Ti4+
Cr3+
宝石
化学式
色
水晶
SiO2
無色
アメシスト
SiO2
紫色
オパール
SiO2・nH2O
干渉色
ルビー
Al2O3
赤色
サファイア
Al2O3
青色
トパーズ
Al2SiO4(F,OH)
淡黄色
アクアマリン
Be3Al2Si6O18
水色
エメラルド
Be3Al2Si6O18
緑色
１２．建築材料の光特性
１１．建築材料の光特性

建築材料の色

結晶場の理論

遷移金属イオンによる光の吸収
 最外殻軌道の電子が関与
 周囲に陰イオンが配位
 電子間の静電反発→エネルギー状態の多様な変化

Cr3+イオンの場合
 最もエネルギー的に安定な基底状態
 緑色（550nm）から紫色（400nm）にかけての光の吸収
→ルビーの赤色
 結晶場がルビー中よりも弱い場合
 長い波長の光が吸収される、550nmの波長の光吸収なし
→エメラルドの緑色
１１．建築材料の光特性

物体色

不透明物体の色

物体の表面から発散した光を色として認識
 表面で反射された光（入射光をそのまま反射した光）＝無色
 内部に入り込んだ光→内部反射や屈折→選択吸収→再び物体外に
出た光＝着色

着色ガラス
 粉末化→表面積の増大→乱反射の増大→白色化
 水で濡らす、透明樹脂を吹き付ける→粒子表面に膜の形成→
乱反射の減少→着色
１１．建築材料の光特性

表面色


非常に強い選択吸収を示す物質
反射光に物体色とは異なる色が現出＝表面色

アニリン染料の結晶
 固体状態
 水溶液の透過光

緑色（緑色を選択的に反射）
紫色（緑色を吸収）
白金・銀・金
 板状
 微粒子
 金箔の透過光
金属光沢（表面色）
黒色（可視光線を吸収）
青緑色（表面色と補色関係にある）
１２．建築材料の光特性
１１．建築材料の光特性

偏光性

普通の光


偏光



進行方向の軸を含む特定方向の平面内で振動する光を分離して
取り出した光
透過する物質の構造・ひずみに関係する
屈折光


光の進行する軸周りに対象に分布した横波
反射面に垂直（入射面に平衡）な振動波を多く含む
反射光


反射面に平行（入射面に垂直）な振動波を多く含む
完全偏光（反射光が全部偏光）
 反射角+屈折角=90°となる角度（偏光角）で入射した場合
 屈折率1.57のガラスの偏光角=約57.5°
１２．建築材料の光特性
１２．建築材料の光特性
１１．建築材料の光特性

偏光性

光学的異方性結晶


偏光性あり
多くの鉱物、いくつかの有機化合物
 電気石
 光軸に平行に振動している成分だけを透過、垂直成分を吸収


分子を一方向に配列した有機化合物
ひずみの生じた物質

等方性結晶
 応力が作用しひずみが生じると偏光性を有する

旋光性

水晶（分子構造が非対称）

偏光を入射→振動面が回転→入射光と異なる振動面を持つ透過光