Почему стекло прозрачное?

[Imbalance]

Что позволяет стеклу пропускать свет.

Думаем, не нужно лишний раз рассказывать о том, зачем нужны окна. Они делают наши квартиры уютнее и светлее, потому что пропускают свет. Но вы когда-нибудь задумывались, почему мы видим через стекло в окне, но не видим через деревянную или пластиковую раму? В конце концов, оба материала прочны и защищают наш дом от дождя, снега и ветра. Тем не менее древесина и пластик полностью блокируют свет, а стекло позволяет ему беспрепятственно проникать внутрь. Так что же делает стекло прозрачным?

 

Возможно, вы уже слышали, как некоторые ученые и обычные люди пытаются ответить на этот вопрос, заявляя, что дерево – настоящее твердое вещество, а стекло – очень вязкая жидкость. По их словам, атомы в стекле располагаются дальше друг от друга и образованные промежутки позволяют проникать свету. Приверженцы этой теории даже ссылаются на окна многовековых домов, которые часто имеют неравномерную или волнистую поверхность, как на доказательство того, что на протяжении многих лет стеклянное вещество «течет», как патока в холодный день.

 

На самом же деле стекло вовсе не жидкость. Это особый вид твердого тела – . В аморфном веществе нет кристаллических решеток, атомы и молекулы располагаются в хаотичном порядке. Поэтому стекло жесткое, как твердые вещества, но имеет разупорядоченное расположение молекул, как в жидкостях. Аморфные тела образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается, – такой процесс называют закалкой.

 

Стекло во многом похоже на керамику и обладает такими же свойствами: долговечностью, прочностью, хрупкостью, высокой электро- и термостойкостью и отсутствием реакционной способности. Но у оксидного (обычного) стекла, из которого делают листовое стекло, контейнеры и лампочки, есть еще одно важное качество: оно пропускает диапазон видимого света. И для того чтобы понять, как это происходит, нужно внимательно взглянуть на атомную структуру стекла и выяснить, каким образом с ней взаимодействуют , мельчайшие частицы света.

 

Об электронах и фотонах

Электроны окружают , занимая разные энергетические уровни и подуровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий уровень, электрон должен обладать высокой энергией. И напротив, чтобы переместиться с более высокого на более низкий – электрон должен ее испустить. В любом случае отрицательно заряженная частица меняет уровень, испуская или поглощая фотоны определенной частоты.

Теперь нужно рассмотреть, как двигается фотон, взаимодействующий с твердым веществом. Возможно три сценария:

1.Вещество поглощает фотон. Это происходит, когда фотон отдает свою энергию электрону, расположенному в веществе. Вооруженный этой дополнительной энергией, электрон перемещается на более высокий энергетический уровень, а фотон исчезает.

2.Вещество отражает фотон. В этом случае фотон отдает свою энергию веществу, а сам исчезает.

3.Вещество пропускает фотон без изменений. Этот процесс называется передачей. Это происходит потому, что фотон не взаимодействует с электроном и продолжает свой путь, пока не начнет взаимодействовать с другим объектом.

Несомненно, стекло попадает под последнюю категорию. Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы электрон в стекле переместился на более высокий энергетический уровень. Физики иногда говорят об этом с точки зрения зонной теории.

Согласно ней, энергетические уровни существуют в энергетических зонах, которые разделены зонами запрещенных энергий, где уровни энергии для электронов отсутствуют. Некоторые материалы имеют запрещенные зоны большей величины, чем другие, – от этого и зависят их оптические свойства. Стекло – как раз один из таких материалов, что означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем перейти от одной энергетической зоны к другой и обратно.

 

На видимый свет (с длиной волны от 400 до 700 нанометров), которому соответствуют цвет индиго, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный, приходится небольшой диапазон энергий фотонов. Этот диапазон не воспринимает диоксид кремния – основной компонент стекла. Следовательно, фотоны видимого света проходят сквозь стекло, не поглощаются и не отражаются, делая материал прозрачным.

 

На длинах волн меньше видимого света фотоны начинают обладать энергией, которой хватает для перемещения электронов в стекле из одной энергетической зоны в другую. Так, ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол – они используются при изготовлении окон. Именно поэтому стекло непрозрачно для ультрафиолета, точно так же, как дерево – для видимого света.  

 

^{Обложка:}