2011年06月09日
[40] ダイヤモンドは永遠の輝き (11/6/9)
ダイヤモンドは宝石の中で特に珍重されています。 南アフリカに本社のあるデビアス社(De Beers)は、「ダイヤモンドは永遠の輝き」 ダイヤモンドは、とてもキラキラしています。 こうして見ると、宝石と呼べる鉱石は珪酸塩が非常に多いですね。
婚約指輪、結婚指輪といえばやはりダイヤモンド。
ダイヤモンドの輝きを決定付けるブリリアントカットは、計算しつくされた
58面体でダイヤモンドのきらびやかさを最大限に引き出します。
▲ダイヤモンド
1905年に南アフリカで発見されたカリナン Cullinan は、原石で3106カラット
つまり621.2グラムもあったといいます。この原石はいくつかに分割されて
宝石に加工されました。
▲Cullinan VI (8.8c) & VIII (6.8c)
("A Diamond is Forever") の販売スローガンを掲げ、ダイヤモンドは
持っていることに価値があると世の女性に植え付け、ダイヤモンドの転売を抑制し
中古品による市場価格の下落を防ぎ、ダイヤモンド市場競争を排除して
高値維持と同社による流通操作を可能にしたとも言われています。
人工的には1955年に当時のゼネラル・エレクトリック社(GE)が初めて合成に
成功しており、工業用の人工ダイヤモンドは金の1割程度の価格で
取引されているそうです。
ダイヤモンドは天然鉱物の中で最も硬いとされ、10段階のモース硬度で最高の
硬度10の標準鉱物になっています。その最も硬いというダイヤモンドも、実は、
結晶の方向(4方向ある)に沿って瞬間的に衝撃を加えると、いとも簡単に割れて
しまいます。
▲ダイアモンド原石(アンゴラ、6mm)
ダイヤモンド diamond (炭素 C)
さて、18世紀の化学者ラヴォアジェ (Antoine-Laurent de Lavoisier) は、
ダイヤモンドを密閉容器で虫眼鏡で加熱・燃焼させると、二酸化炭素だけが
生じることを突き止めました。
これは、ダイヤモンドの成分が炭素であることを示しています。
そう、ダイヤモンドは、黒鉛(鉛筆の芯の成分、グラファイト)と同じ、
炭素の塊です。
炭素は、高温高圧下では黒鉛よりもダイヤモンドのほうが安定で、地下深くで
出来たダイヤモンドがそのまま地表に表れたものが採掘されているわけです。
反対に常温常圧、つまり「1気圧、20°C前後」では、ダイヤモンドよりも黒鉛の
ほうが安定で、ずーっと放って置くと、おそらくダイヤモンドは黒鉛になって
しまいます。その意味で、「ダイヤモンドは永遠の輝き」は正しくはないのですが
その転移速度は遅く、熱力学的に不安定なダイヤモンドも、すぐには黒鉛には
なりません。
「ダイヤモンドは炭素(C)です」というと、「夢がない」とか「夢が壊れる」とか
言われそうですが、科学者はこの言葉に別の感覚を持っています。
つまり、ありふれた元素である炭素が、高温高圧下ではこんなにも美しく輝き、
最も硬い物質であるダイヤモンドという結晶になって我々を魅了する、
というところに、自然界の不思議さを感じ取って感動するわけです。
なぜでしょうか。
それは、屈折率がとても高いからです。
屈折率は、物質中で、どれだけ「光の速度が遅くなるか」を表し、光が斜めに
進入したとき、屈折率が大きい方が、より深く角度がついて光線が曲がります。
空気の屈折率はほとんど1、水が1.33くらい、ガラスが1.5くらいですが
ダイヤモンドは屈折率が2.42もあります。屈折率が2を超えるような
透明体はなかなかありません。
また、屈折率が高い物質から低い物質に光が抜けようとするとき、浅い
角度では「全反射」がおきます。ダイヤモンドは屈折率が高いので
全反射臨界角が小さく、特にブリリアントカットは正面から入った光は
裏側に抜けず正面に返ってきます。
さらに、屈折率が高いと、空気との境目での反射率が高くなります。
(ダイヤモンドの裏面で全反射する反射率は100%ですが)
これらが、ダイヤモンドがキラキラと輝いて見える原因です。
また、波長(色の違い)により屈折率が少しずつ違うので、プリズム効果も
合わさってキラキラと虹色の輝きも見られます。
これだけキラキラ輝くのなら、もしも、空の虹を作る水滴がダイヤモンドだったら
よっぽど輝かしい虹が見えるだろう・・・と思うかも知れませんが、実は
ダイヤモンドの屈折率では我々が見るような美しい虹は現れないんですね・・・
その辺は、別の機会に計算を示してみたいと思います。
ダイヤモンドは、基本的に無色透明が珍重されます。
よっぽどブルー・ピンク・グリーンであれば希少価値がありますが
普通は黄色味が強くなるほど価値が下がります。
カラーグレードはD～Zの23段階あり、
D－F： 無色透明 (colorless)
G－J： ほぼ無色 (near colorless)
K－M： かすかな黄色 (faint yellow)
N－R： 非常に薄い黄色 (very light yellow)
S－Z： 薄い黄色 (light yellow)
の順にグレードが下がります。
これより黄色いものはグレード外ですが、キレイなはっきりした黄色だと
「カナリアイエロー」として価値のある「色つきダイヤ」として評価されたりも
します。まあ、人の評価なんてそんなもんですけれども。
サファイア sapphire (酸化アルミニウム Al2O3)
サファイア(蒼玉)は、コランダムの一種で、コランダムのうち濃赤ではないもの
(つまりルビーではないもの)とされています。
▲サファイア原石(タスマニア、2.2cm)
サファイアというと、上の写真のような、青いもの、薄く青いものを想像しますが、
濃赤以外ならすべて(黄色や薄紅でも)サファイアです。
サファイアの母体は、コランダム、つまり酸化アルミニウム Al2O3 です。
アルミナとも言います。アルミナの結晶は透明ですが、ここに、鉄イオン
Fe3+ やチタンイオン Ti4+ が入ると濃紺や青紫色になります。特に、
酸化チタン TiO2 の針状結晶(ルチル)が平行に配向していると、6条の
スターサファイアが見られることがあります。
コランダムは硬度9の標準鉱物です。
ルビー ruby (酸化アルミニウム Al2O3 + クロム Cr3+)
ルビーもサファイアと同様、母体はコランダムつまり酸化アルミニウムですが
2%程度のクロムイオン Cr3+ が入っていると、クロムイオンが赤く光ります。
ただ赤く光るのではなく、どんな光(赤より短波長のいろいろな光)を吸っても
赤く光るのが特徴です。
▲ルビー原石(アフガニスタン、1cm)
クロムが0.1%程度だと薄い赤色ですが、「濃赤以外はサファイア」
ですので、これはピンクサファイアです。
ルビーは、光学の世界では歴史的に重要な宝石です。
1960年、セオドア・ハロルド・メイマン(Theodore Harold Maiman)は、
ルビーの結晶を使って世界で初めてレーザー laser の発振を実現させました。
レーザーは略語で、Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation、訳すと「輻射の誘導放出による光増幅」です。
クロムイオンの場合、誘導放出は波長694.3nmの赤い光です。
まさに、ルビーの赤い色で世界初のレーザー光線が作られました。
ルビーは原石の結晶が小さいので、小さい活字のポイント(5.5pt)をrubyと
言いました。フリガナのことを「ルビ」と呼ぶのはこのためです。
水晶 quartz (二酸化珪素 SiO2)
水晶は、石英ともクォーツとも言います。古くは玻璃(はり)とも言いました。
▲水晶原石(米アーカンソー熱水鉱床)
水晶・石英は、二酸化珪素 SiO2 で、硬度7の標準鉱物です。
とても一般的な鉱物で、火成岩・変成岩・堆積岩のいずれにも含まれ、
そこらじゅうの砂埃にも石英は含まれています。砂が硬度7の石英を
含むので、「砂で傷つかない」というのが宝石の永遠性の古典的な
基準となり、多くの宝石は硬度7以上です。
石英は低温では三方晶系、高温(573°C)で六方晶系に形を変え、870°Cで
トリジマイト(tridymite)、さらに高温でクリストバライト(cristobalite)、そして
1650°Cで融けて溶融石英となります。融かした石英を急冷すると、いわゆる
石英ガラスになります。
水晶は圧電体で、つまり圧力をかけると電気が生じ、反対に電圧をかけると
ある決まった周波数で振動します。この周波数はとても安定しており、
水晶発振器・水晶振動子として用いられます。水晶発信器から電気的に
1秒のカウントを作り出しているのが、クォーツ時計というわけです。
普通、水晶は無色ですが、鉄イオン Fe3+ が入ると黄水晶(citrine)や
紫水晶(amethyst)に、アルミニウムイオン Al3+ が入ると黒っぽい
色合いになります。
▲黄水晶(シトリン)
▲紫水晶(アメジスト)
世界最大とされる透明な水晶玉は、直径32.7cm、重さ48.5kgもあるようです。
エメラルド emerald
(シクロ珪酸アルミニウムベリリウム＋クロム Be3(Al,Cr)2Si6O18)
エメラルド(翠玉、緑玉)は、緑柱石(ベリル)の一種で、母体のベリル
Be3Al2Si6O18 にクロム Cr やバナジウム V を含んでいます。
▲エメラルド原石(アフガニスタン、12.5cm)
緑色のもとになるベリリウム Be (beryllium) の名は、このベリル beryl が
語源です。ベリリウムとベリリウム化合物は、人体には毒性が高いのですが、
エメラルドに毒性があるかどうかは良く分かりません。
ベリルは硬度7.5で、クロムやバナジウムを含むと鮮緑のエメラルドに、
鉄を含むと淡青のアクアマリンになります。
アクアマリン aquamarine
(シクロ珪酸アルミニウムベリリウム＋鉄 Be3(Al,Fe)2Si6O18)
アクアマリン(藍玉)も、エメラルドと同じく緑柱石(ベリル)の一種で
母体のベリルに鉄 Fe を含んでいます。
▲アクアマリン原石(パキスタン)
アクアマリンは、海(marine)の水(aqua)の名のとおり、薄く緑がかった
淡い青色をしています。
柘榴石 garnet (ネソ珪酸複塩 X3Y2(SiO4)3)
柘榴石(ざくろ石)は、ガーネットとも呼ばれますが、決まった組成の鉱物
ではなく、同じ構造をした多種多様な柘榴石があります。基本構造は、
4面体構造のネソ珪酸イオン SiO44− 3個に、2価の陽イオン3個と3価の
陽イオン2個が化合した格好をしています。2種類の陽イオンが何であるかで
名前が付けられます。
鉄礬柘榴石 (almandine) Fe2+3Al2(SiO4)3 ※礬はアルミニウムをさす
苦礬柘榴石 (pyrope) Mg3Al2(SiO4)3 ※苦はマグネシウムをさす
灰鉄柘榴石 (andradite) Ca3Fe3+2(SiO4)3 ※灰はカルシウムをさす
▲灰鉄柘榴石 原石
▲灰礬柘榴石 原石
陽イオンが様々あるので、色も様々です。硬度はだいたい6.5～7.5くらいです。
ガーネットというと、光学屋さんには別の人工のガーネットが有名です。
厳密には柘榴石とは異なるのですが、結晶構造が同じで Y3Al5O12 で
表される化合物は「イットリウム・アルミニウム・ガーネット」、略称 YAG といって
これまたレーザーの世界で有名な結晶です。これに微量の希土類、
例えば Nd3+ (ネオジムイオン)を添加したものはNd:YAGレーザといい、
波長1.064ミクロンの赤外線を出す大変強力なレーザーになります。
翡翠 jadeite (イノ珪酸ナトリウムアルミニウム＋鉄 Na(Al,Fe3+)Si2O6)
翡翠は、ヒスイ輝石ともいい、中国や中南米で珍重され、日本でも産出された
宝石です。翡翠はもともとカワセミを指す言葉でしたが、色の近いこの鉱石をも
翡翠と呼ぶようになりました。
▲ヒスイ輝石原石(ミャンマー、4.6cm)
他の宝石類を「～玉」(紅玉、蒼玉、緑玉、藍玉、翠玉、黄玉、碧玉)と呼ぶのに
対し、何もつけずに「玉(ぎょく)」といえば、翡翠を指しました。
結晶はイノ珪酸イオン Si2O64− に、ナトリウム Na+ とアルミニウム Al3+ が
化合しており、純粋なものは白ですが、アルミニウムのところに微量の
鉄やクロムが入ると緑色に、チタンなどが入ると紫色になります。
黄玉 topaz (フルオロヒドロキシ珪酸アルミニウム Al2SiO4(F,OH)2)
黄玉はトパーズともいい、無色、黄色、褐色、ピンク、青などのものがあります。
母体は珪酸塩ですが、フッ素 F やアルミニウム Al を含んでいるのが特徴です。
珪酸である石英(硬度7)より硬く、硬度8の標準鉱物です。
▲トパーズ
蛍石 fluorite (フッ化カルシウム CaF2)
蛍石はフッ化カルシウムの結晶で、フッ素 fluorine の語源はこの蛍石でした。
加熱すると発光する性質から蛍石と呼ばれます。純粋なものは無色ですが、
不純物により黄、緑、青、紫、灰、褐色にもなります。
▲蛍石原石(アルゼンチン、2cm)
光学的には、紫外線から赤外線まで幅広く(波長130nm～8ミクロン)透過
するため、紫外線用の光学素子には欠かせません。
蛍光を発する蛍石としては、世界最大のものは直径1.6m、重さ6.2トンの
球体があるそうです。
ペリドット peridot (ネソ珪酸マグネシウム Mg2SiO4)
ペリドットは明るい緑色の宝石で、鉱物学的にはカンラン石(olivine)です。
ネソ珪酸マグネシウム Mg2SiO4 つまりフォルステライト(forsterite、
苦土カンラン石)で、緑色のもので特に美しいものをペリドットと呼びます。
▲ペリドット原石(エジプト、2cm)
実際には、若干の鉄を含み、マンガン、ニッケル、チタンを少し含みます。
孔雀石 malachite (炭酸水酸化銅 Cu2(CO3)(OH)2)
孔雀石は、銅鉱石が風化し、濃集して形成されたもので、緑色をしていて
硬度は3.5～4と比較的柔らかい鉱物です。緑色は銅イオンによるもので、
炭酸水酸化銅、すなわち銅のサビ、「緑青」と同じ成分です。
▲孔雀石原石(オーストラリア、2mm
オパール opal (二酸化珪素水和物、SiO2・n H2O)
オパールは蛋白石ともいい、成分は二酸化珪素で石英と同じですが、
10%くらいまで水分を含みます。潜晶質(隠微晶質)で、肉眼では非晶質に
見えます。
火成岩や堆積岩の隙間に、珪酸を含む熱水が充填して、含水珪酸となりました。
微小な結晶による光の干渉で、乳白色の地に美しい遊色効果が見られます。
▲オパール原石(オーストラリア)
瑪瑙(メノウ) agate (二酸化珪素 SiO2)
瑪瑙は、蛋白石(オパール)、石英(クォーツ)、玉髄(カルセドニー)が層状に
なって空洞中に沈殿したもので、中心部に隙間があるものが多いです。
鉱物学的には石英です。
▲瑪瑙原石(アルゼンチン、3cm)
瑠璃 lapis lazuli
(硫酸硫化塩化アルミノ珪酸ナトリウム (Na,Ca)8(AlSiO4)6(SO4,S,Cl)2)
瑠璃はラピスラズリともいい、深い青色から藍色の地に、白い筋や金色の
斑が混じった、夜空のような美しさの宝石です。
●地の青い部分は青金石 (lazurite)＝(Na,Ca)8(AlSiO4)6(SO4,S,Cl)2
●白い筋は方解石 (calcite)＝炭酸カルシウム CaCO3
●金色の粒は黄鉄鉱 (pyrite)＝硫化鉄 FeS2
です。
▲ラピスラズリ(アフガニスタン、7cm)
塩酸と反応すると毒性のある硫化水素 H2S を出します。
黒曜石 obsidian (ガラス質二酸化珪素 SiO2＋酸化マグネシウム・酸化鉄)
黒曜石(黒耀石)は、火成岩の一種で組成上は流紋岩に分類されますが、
石基がガラス質です。急冷されてできており、外側は黒くガラスに似ています。
割ると鋭い貝殻状の断口が現れ、古くから矢じりやナイフとして使われました。
▲黒曜石原石(イタリア、4cm)
ルチル rutile (二酸化チタン TiO2)
ルチル(金紅石)は二酸化チタンの結晶です。赤褐色～金色で、屈折率が
ダイヤモンドよりも高い(2.62～2.9)ですが、不透明のためダイヤモンドのような
輝きにはなりません。
針状結晶になりやすく、サファイアなど他の宝石中にルチルの針状結晶が
平行に配向することで、スター効果が現れることがあります。
▲ルチル針状結晶(オーストリア、2cm)
大理石 marble (炭酸カルシウム CaCO3)
大理石は、石灰岩の石材名で、鉱物的には方解石です。成分は貝殻などと
同じ炭酸カルシウムなので、大理石は塩酸に簡単に溶けてしまいます。
「大理」の名は、代表的産地である中国雲南省大理市に由来します。
硬度は3で大変柔らかく、傷つきやすいです。
岩塩 halite (塩化ナトリウム NaCl)
岩塩は、塩です。海底が地殻変動で隆起し、海水が陸上に閉じ込められたもの、
あるいは砂漠の塩湖で塩分が濃縮・結晶化したものです。ヨーロッパでは
多くの岩塩鉱山がありました。硬度は2で非常にもろく、また当然、水に溶けます。
▲岩塩(フランス、6cm)
氷 ice (水 H2O)
氷は1気圧で融点が0°Cと大変低い温度で融けます。
氷は地上では氷床、氷河、氷柱、霜柱などとして、大気中では雪、雹、霰、霧氷、
ダイヤモンドダストとして、海上では海氷、氷山、流氷などどして存在します。
このように、氷は天然に産する無機質の結晶であり、特に地中で水分が
冷却されてできる霜柱は、鉱物の定義にあてはまります。
▲氷(霜柱)
また、鉱物を地中に限定せず「天然に産する無機結晶」であれば、
雪も鉱物の一種であり、その美しさは宝石級と言えましょう。
▲氷(雪片)
雪の結晶は六角形の美しい対称性を持ちますが、これは氷の結晶が
六方晶系であることと関係があります。我々の知っている氷は1気圧で
0°Cで融けますが、これを「氷I」といい、温度と圧力を変えた環境下では
ほかに「氷II」～「氷VII」まで相変化することが分かっており、さらに
氷VIII、氷IX、氷Xの相変化をするといわれています。
宝石といえば他に真珠や琥珀もありますが、真珠は炭酸カルシウムの
結晶(霰石)とたんぱく質コンキオリン(conchiolin)が交互に積層し、
この薄層構造の干渉色が美しい真珠特有の輝きをもたらしています。
琥珀は木のヤニが長い年月で固化したもので鉱物ではありませんが、
鉱物に匹敵する硬度を持ち合わせます。
