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ビスマス結晶の作り方

ビスマス結晶

ビスマス（周期表第83元素）は、溶融状態からゆっくりと冷却固化すると、左図のように美しい色と複雑な形状のホッパー結晶となります。

ビスマス結晶の特徴的な「ホッパー型」の形状は、結晶の内側よりも外側の縁の方が成長率が高いことに起因している。

結晶の色彩は、表面に薄い酸化膜が形成されることにより、人目を引く色彩に変化します。 シャボン玉や水面の油膜のように、膜の上下に反射する光が膜の厚さによって特定の色の干渉極大を生じるため、ビスマス結晶の色彩は、シャボン玉や水面の油膜の色彩に類似している。 純度の高いビスマス結晶に薄い酸化ビスマス層を設けると、特定の波長の光が反射して建設的な干渉を起こし、表面に色が見えるようになります。 酸化膜の厚さが異なるため、結晶は一色ではなく、それぞれの場所で建設的に干渉する光の波長（と色）に対応した虹色になります。
この現象のより詳細な説明については、薄膜干渉のトピックを研究してください。

ビスマス結晶の育成

高品質の結晶を育成するためには、非常に純粋な金属ビスマスを使用する必要があります。

ビスマス結晶の品質や大きさに影響するもう一つの重要な要素は、冷却時間です。

ビスマスの融点は271℃と他の金属に比べて比較的低く、小型のプロパントーチや実験室のホットプレートで簡単に溶かすことができます。 しかし、非常に熱い溶融金属を扱っていることを忘れないでください。液体と同じように流れたり飛び散ったりして、痛い火傷をする可能性があります。

使用するビスマスの量に応じて、溶融中のビスマスを入れる容器は様々なものが適しています。 ビスマス結晶の調製には、鉄製の小型から中型の計量カップが有効であることが分かっています。

手順1：ビスマスを溶かす

スチール計量カップにビスマスの破片を入れてホットプレートで強火で溶かし、溶けたビスマスがビスマスを溶かす。

ビスマスが溶けると、高温と空気中の酸素の存在により、液体の表面が酸化されやすくなり、表面に灰色の「肌」が形成されますが、これは正常な状態です。

ステップ2: 溶けたビスマスを注ぐ

ビスマスが溶けたら、ゆっくりと慎重に別の清潔で予熱した鉄製の計量カップに液体ビスマスを注いでください。

新しい容器に移すことで、結晶成長に悪影響を及ぼすビスマス表面の厚い酸化皮膜を除去することができます。 元の容器に残っている灰色の酸化膜の下から、銀色に輝くきれいな液体ビスマスをゆっくりと流し込むことができます。

手順3：ビスマスを冷やす

新しい容器に入れたまま、よく断熱されている耐熱面に置いて冷却し固めはじめます。 1560>

新しい容器に移して間もなく、新しい酸化膜が見えてきます。 新しい酸化層は、前の層ほど厚くはありません。 新しい酸化膜が厚くなるにつれて、異なる波長の光がその表面で反射して建設的に干渉し、徐々に色が変わっていきます（ビスマスの結晶自体が着色されているのと同じ理由です）。

手順4：余分なビスマスを流し出す

ビスマスが完全に固化する前に、余分な液体ビスマスを別の容器に注いでください。

結晶は、ビスマスが凍結するにつれて生成し、徐々に大きくなっていきます。 成長時間が長いと結晶も大きくなるのが普通である。

余分なビスマスを流し出すまでの時間は、実験の条件によって異なるので、決まった時間はない。 容器を軽くたたいて、ビスマスの状態を調べることができます。 このとき、表面に波紋が広がっていれば、ほとんどのビスマスはまだ液体である。 凍結が進むと、波紋は小さくなり、結晶が形成されている部分が見えるようになります。 大きな結晶が1個（または数個）ではなく、小さな結晶がたくさんできることがあります。

余分な液体ビスマスを流し出すタイミングのコツをつかむには、何度か試してみる必要があります。 もし、長く待ちすぎて、結晶が閉じ込められてしまったら、ビスマスを溶かしなおして、もう一度試してみてください。 注いだビスマスは、別の容器で結晶を作るために使うこともできる。

Step 5: 結晶の取り出し

過剰な液体ビスマスを注ぐと、容器内で成長しているビスマス結晶を見ることができるはずです。 結晶の表面に薄い酸化層が形成され、空気に触れると数秒で発色します。 結晶は、容器の底や側面に付着していることが多く、また、非結晶のビスマスが部分的に融着していることもあります。

容器内面に結晶を形成させると、結晶には必ず表面に付着していた部分が生じるため、結晶の形状に固有の欠陥が生じます。 そこで、溶融ビスマス中に小さなビスマスの種結晶を浮遊させ、結晶成長中の核とすることで、この不完全性を回避することができる。 この場合、手順 4 のように余分なビスマスを別の容器に移す必要はなく、結晶を持ち上げて液状ビスマスから取り出すだけでよい。 種結晶をあまり長い間浮遊させておくと、種結晶の周囲でビスマスが固化して取れなくなることがありますので、注意が必要です。 また、結晶が大きくなりすぎて、周囲の結晶と融合し、結晶を閉じ込めてしまうこともあります。

水や氷と同じように、ビスマスも固まると膨張するという興味深い性質があり、固化していないビスマス結晶が、より密度の高い液体の周囲に浮遊することになります。

Pictures of large Bismuth crystals

Bow are a series of images of three large Bismuth crystals ranging about 1 inch to 3 inches wide. これよりはるかに大きな結晶を成長させることは可能です。