ガラスは、なぜ透明なの？
― 砂からできているのに、光をまったく止めない理由

ガラスの原料は、ほぼ砂です。それなのに砂は透けず、ガラスは向こうがはっきり見えます。答えは「光が弱すぎて、ガラスに相手にされない」ことと、「ガラスの中に、光をはね返す境目がない」こと。この2つがそろったとき、物は透明になります。

透明になる理由は2つだけ

この2つは、どちらか1つでは足りません。吸い込まれなくても境目が多ければ白く濁りますし、境目がなくても吸い込まれれば色がついて暗くなります。順番に見ていきましょう。

目に見える光は、ガラスにとって「軽すぎる」

光は、小さなエネルギーのつぶが、たくさん飛んでくるものだと考えることができます。つぶ1個が持っているエネルギーは、光の色で決まります。赤い光のつぶはエネルギーが小さく、紫の光のつぶは大きくなります。

物の中には、原子にしばられた電子がいます。電子は、決まった高さの「段差」をひと息にのぼれるだけのエネルギーをもらったときだけ、光のつぶを受け取ります。段差に届かないつぶは、受け取ってもらえません。ちょっとだけ届かない、ということも許されません。

図1を見てください。縦の高さが、光のつぶ1個のエネルギーです。ガラスの主成分（二酸化ケイ素）の電子がのぼる段差は、約9とされています。目に見える光は、いちばん強い紫でもおよそ3しかありません。段差の3分の1にも届かないので、ガラスは光に知らん顔をします。光は、そのまま通り抜けるしかないのです。

つまみを左いっぱいに動かすと、紫外線の領域に入ります。紫外線はつぶのエネルギーが大きいので、窓ガラスに含まれる成分に吸い込まれ始めます。窓ガラスは、日焼けの原因になる紫外線のうち、波長の短いもの（エネルギーの大きいもの）を多く止めるとされています。ただし波長の長い紫外線はかなり通すため、窓ぎわでも日焼けはします。

逆に、色のついたガラスは、わざと金属などを少し混ぜて、段差の低い電子を用意したものです。その電子が特定の色の光だけを吸い込むので、残りの色がついて見えます。

同じガラスでも、粉にすると白くなる

電子の話だけなら、砂もガラスと同じ二酸化ケイ素なので、透けて見えるはずです。ところが砂浜の砂は透けません。ここで効いてくるのが、2つ目の理由の「境目」です。

光は、空気からガラスへ、ガラスから空気へと入るたびに、ほんの少しはね返り、進む向きも曲がります。窓ガラスなら、境目は表と裏の2回だけです。はね返るのは合わせて1割足らずで、残りはまっすぐ抜けていきます。

ところが砂の山や、くだいたガラスでは、光は小さな粒に当たるたびに、何百回、何千回と曲がり、はね返ります。そのうち光はあらゆる向きに散らばって、もと来た側へも戻ってきます。すべての色が同じように散らばるので、白く見えるのです（図2）。

同じことは身のまわりにたくさんあります。透明な氷も、細かく削ると白いかき氷になります。透明な水晶と、白っぽい砂も、中身は同じ二酸化ケイ素です。石や木が透けないのも、小さな結晶や細胞のすき間という境目が、無数にあるからです。

ガラスは、溶かした材料を結晶ができる前に冷やし固めてつくります。そのため中に粒の境目ができず、どこを切っても同じ中身になります。この「どこまでも一様」なつくりが、透明さを支えています。

まとめ

ガラスが透明なのは、目に見える光がガラスの電子を動かすには弱すぎて吸い込まれないこと、そしてガラスの中に光をはね返す境目がないことの、2つがそろっているからです。同じ材料でも、粉にして境目を増やせば白くなります。

透明とは、光が「相手にされず」、
しかも「邪魔されない」ことです。

境目で光が散らばって白く見えるしくみは、氷は透明なのに、雪はなぜ白く見えるの？でも詳しく紹介しています。ガラスが固体なのか液体なのかという話は、ガラスは固体なの、液体なの？をどうぞ。窓ごしの紫外線については、曇りの日でも日焼けするのは、なぜ？も参考になります。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。ガラスの吸収や反射の値は、ガラスの種類や厚みによって変わります。ガラスを割ったりくだいたりする実験は、けがの危険があるので行わないでください。