科学 Archive

宝石のいろんな色の秘密は？を読んでて、むかしルビーとかサファイヤとか色の付いた宝石はダイヤに色が付いてるんだと思ってたことを思い出した。でもどんな不純物が入るとどんな色に変わるのかをよく知らないのでちょっと調べてみました。

炭素の結晶はダイヤモンドだけ。ルビーとサファイアが酸化アルミニウムだというのはちょっとすごい。なんかいっぺんに価値が下がってしまうような気がします。1円玉の表面と科学的にはよく似たもの。・・・でいいのかな。
ほかにも同じ組成の鉱物であってもベリルのように不純物の種類によって様々な色に変化するものもあって結晶構造と色の関係の複雑さが垣間見えますね。ちなみに色が変わるのは結晶構造の変化によって吸収波長が変化するためです。この手のシミュレーションとかってどっかで公開されてないかな。
また、ここに出てくる鉱物はダイヤ以外主成分がケイ素、酸素、アルミニウムでこれらは地表の主成分といっても良い（クラーク数）ものです。当然といえばそれまでですが、宝石も地球の一部だと実感できますね。

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地球のどこかに磁石ある？

ところで、磁石の北極に方位磁針を持って行くと、どうなるの。

真下を向こうとするけど、向けなくて向きが定まらないはずよ。日本でも針は、少し北側に下がって向くの。だから、Ｓ極側を少し重くするんだって。

誰もが疑問に思ったことのあることだとおもいますが、実際に試したことのある人は少ないことのひとつですね。そのことよりも何気なく書いてあった「Ｓ極側を少し重くする」というところが気になります。簡単な方位磁針にそんな工夫があるなんて。つか、なんで？

まずは北極点の話から。遙か昔に「北極点に方位磁針をおいたらぐるぐる回るんだよ。」って教わった気がするのですが、実際にはそうそう簡単な話ではないようです。

方位磁針のN極が北を向く理由は地球全体を覆うように地磁気があるためです。この地磁気は地球のコアに流れる電流に起因しています。この地磁気が北側がS極、南側がN極になっているために方位磁針がその方向に引き寄せられるというわけです。地球全体が大きな電磁石だといえるわけです。この磁石を一本の棒磁石に近似したときのN・S極をそれぞれ地磁気極と定義しています。

この極に方位磁針が向くんですよ。といえるなら簡単なのですが、そうではありません。純粋な極は先ほどの地磁気極で方位磁針は真下を向くはずですが、地球が丸いため方位磁針が真下を向く地点はまた別の所にあることになります。このような点を磁極と定義しています。

これで地磁気極と磁極が定義できました。この2点の関係から方位磁針が指す北を定義できるかというと、コレも間違いです。日本から見ると2点とも少し東にはずれたところにあるのですが、方位磁針は西側にずれた点を「北」だと指してしまいます。

これは局所的な地磁気が存在していて西側に引き寄せられてしまうためだそうです。要するに地球を覆っている磁場が均一ではないということですね。このずれを偏角と呼んで、国土地理院が発行している地図には表記されているそうです。もちろん場所によって違いますし、日々刻々とずれていくことが知られています。

さて、本題でもあった方位磁針の針の重さの話をしましょう。磁極では方位磁針が真下を向くと言ったように、方位磁針が引き寄せられる点は水平とは限りません。磁極でなくても北半球ではN極が地面に埋まる方向に、南半球ではN極が空に向かって引き寄せられます。この角度のことを伏角といいます。日本でもこれは例外ではなく、京都あたりで約50度も地面向きに引き寄せられるそうです。これを是正するためにS極側が重たくなっているというわけです。

非常に簡単な装置だと思っていた方位磁針ですが、土地によって傾き方が変わるために出荷先によって重さを調節しているなど目に見えぬ工夫が凝らされているんですね。ちょっと驚きました。
地磁気には北と南が100万年ほどの単位で入れ替わることも知られていて、地磁気逆転のシミュレーションなども行われています。非常に身近な地磁気ですがまだまだわからないことがたくさんあるようですね。

参考サイト：
磁石の北と地磁気極と磁極
地磁気
地磁気 - Wikipedia
東京工業大学ホームページ | 最近の研究成果

消臭剤の香り　なぜ消えない？

でも不思議だなあ。トイレのいやなにおいは消されるのに、どうしていい香りは一緒に消えちゃわないのかな。

普段は気にしないけど、聞かれてみると少しだけ困ってしまう疑問かもしれません。

臭いは臭いの原因になる分子が鼻の粘膜細胞にある嗅覚受容体に結合して刺激として感じられます。消臭するためには臭いの原因分子が鼻に入らないようにする、もしくは原因物質が受容体に結合できない形にしてしまえばよいわけです。記事では、消臭の方式を4つに分けてまとめています。

1. 消臭剤の成分と臭いの原因分子を化学反応させて分解する
2. 活性炭に吸着させて分子の飛散を食い止める
3. 臭いの原因分子を産生するバクテリアを死滅させる
4. 良い香りでごまかす

分解させる方法では主にアンモニアなどのアミン系の化合物や硫黄の入ったメルカプタン類（チオール類）の2つに分けられます。アミン系の分解には酸塩基反応、ようするに中和反応を使って塩基性であるアミン類を酸性物質で中和してしまいます。
メルカプタンは生物が最も嫌う臭いともいわれているんですが、こちらは酸化還元反応を使って臭いを中和します。末端に持つ-SH基は酸化によって-S-S-結合（ジスルフィド結合）にする方法です。

活性炭などの吸着剤を使う方法は、そのままです。活性炭には数ナノメートル（10^-9m）の穴が無数に開いていて、1gあたりの活性炭で1000m²ほどの表面積を持つといわれています。この無数の孔に臭いの原因となる分子を吸着させるわけです。吸着するときにはたまたま活性炭の表面に来た分子が孔に嵌るので消臭速度はそれほど速くありません。そのため、フィルタなど強制的に接触させることができる部分に多く使われています。

バクテリアの死滅は、臭いの生成元を絶とうという簡単なアイデアです。微生物と関係のある臭いとして身近にあるのは、生ゴミの臭い、生乾きの洗濯物の臭い、かび臭さなどよくある悪臭は微生物が生成しているといっても過言ではないので効果的です。微生物の死滅はアルコール殺菌などが効果的です。
脱線しますが、これは特殊な菌がいなければという仮定付きです。酒造りに使われる酵母はアルコール耐性を持っているし、超好熱菌と呼ばれる細菌は90℃の中でも生きてる。さらに放射線でも死なない、人の1000倍もの耐性を持っている菌も世の中にはいます。放射線耐性菌（Deinococcus radiodurans）は原子炉の中でも生きているという話です。

大きく脱線しましたが、最後の良い香りでごまかすのはおそらく数の理論だと思います。人間の知覚する臭いは嗅覚受容体に結合した分子の平均値に近いとされているので、良いにおいが多ければ悪臭は消えてしまうというコトだと思います。ただし良いにおいでも多すぎると刺激になってしまうので、気をつけないといけないでしょう。

最後に嗅覚受容体の話ですが、人間の場合ほかの受容体に比べて圧倒的に種類が多いといわれています。なぜなら嗅覚受容体は1種類でいくつかの臭い分子としか結合することができず、たくさんの受容体を組み合わせて臭いとして関知しているためです。
ヒトの染色体は23対ありますが11番染色体にコードされているほとんどの遺伝子が嗅覚受容体だといわれています。

というわけで消臭の仕組みを書いてきましたが、1や3の方法の消臭剤にはこのような成分＋芳香成分が配合されています。その芳香成分は消臭とは無関係で、かつ分解もされないので作ってあるので良い香りは消えないというわけですね。しかし、ちょっと聞かれてこれだけ返答されたら引くだろうなあ。

カーリングのストーンは、なぜ氷の上で曲がるの？

トリノ五輪で注目のカーリング。ストーンはなぜ氷の上で曲がるのか。
滑らかな床でグラスを反時計回り（左回り）させながら前に滑らせると右に曲がる。しかし、ストーンは同じ回転で左に曲がる。このなぞは、カナダ人の物理学者が９０年代後半に解き明かした。

オリンピックで熱い戦いを見せてくれたカーリング。 私も深夜までテレビにかじりついて見ていました。一度はやってみたいスポーツです。

カーリングではストーンを右に回転させる（時計回り）と右にカーブ、逆だと左にカーブします。 野球の変化球と同じですね。 しかし、この回転と変化の関係は接地している物体の運動としては不思議なのです。
実際にテーブルの上など平らなところで丸いものを回転させて動かすと、ストーンとは逆に回転することがわかります。 ではなぜカーリングのストーンは逆に曲がるのでしょうか？

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常温で氷をつくる

高電圧をかけると室温でも水が氷に変化することが実験的に証明された。
通常，地表の水は室温で凍ることはなく，0度C以下の温度で氷に変化しはじめる。これまでの研究によると，高電圧をかけると室温でも氷に変化することが理論的に予想されていたが，実験的に明らかではなかった。

水に高い電圧をかけると常温で液体から固体に変化することが実験的に証明されたという話題です。

水が液体から固体になるのは0℃だというのは誰もが知っていることですが、この温度は1気圧という条件が付いています。 高気圧下ではより低い温度で液体から固体への変化（相転移）が起こります。 このように物質は気圧条件によって相転移する温度条件が変化することはよく知られています。 たとえば山の頂上や飛行機の中で水が100℃に満たない温度で沸騰してしまうのは気圧が低いためですね。

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