Почему стекло прозрачное а металл нет
Обновлено: 05.07.2024
Моя цель — рассказать так, чтобы стало понятно школьнику, который даже еще не начал изучать физику, т.е. буквально пятикласснику.
Итак, как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атомы устроены не сложно (в нашем, простецком описании на пальцах™). В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона, или группы протонов и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны на своих электронных орбитах/орбиталях.
Свет тоже устроен довольно просто. Забудем (кто помнил) про корпускулярно–волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет потоком шариков–фотонов, летящий из фонарика прямо к нам в глаз.
Теперь, если мы поставим между фонариком и глазом бетонную стенку — мы больше не увидим света. А если посветим на эту стенку фонариком с нашей стороны — наоборот увидим, ибо луч света отразится от бетона, и попадет к нам в глаз. Но сквозь бетон свет не пойдет.
Логично предположить, что шарики–фотоны отражаются и не проходят сквозь бетонную стену потому, что бьются об атомы вещества, т.е. бетона. Точнее бьются об электроны, ибо электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиталь к ядру, а отскакивает и отражается уже от электрона.
Почему же свет проходит сквозь стеклянную стену? Ведь внутри стекла тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким–нибудь из них, ведь атомов же триллионы в каждой крупинке стекла!
Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. Возьмем самый простой случай, один электрон вращается вокруг одного протона (это атом водорода) и представим себе, что по этому электрону шарахнуло фотоном.
Вся энергия фотона перешла электрону. Говорят, что фотон поглотился электроном и исчез. А электрон получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.
Чаще всего более высокие орбиты менее устойчивы, и через какое–то время, электрон испустит этот фотон, т.е. "отпустит его на свободу", а сам вернется на свою низкую устойчивую орбиту. Испущенный фотон полетит в совершенно случайную сторону, потом будет поглощен другим, соседним атомом, и так и останется блуждать в веществе, покуда случайно не излучится назад обратно, или не пойдет в конечном итоге на нагрев бетонной стены.
А теперь самое интересное. Электронные орбиты не могут находиться где угодно вокруг ядра атома. У каждого атома каждого химического элемента есть четко детерминированный и конечный набор уровней или орбит. Электрон не может чуть–чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне четкий промежуток вверх или вниз, а так как эти уровни различаются энергиями, это означает, что только фотон с определенной и весьма точно заданной энергией может подтолкнуть электрон на более высокую орбиту.
Получается, что если у нас летят три фотона с разными энергиями, и только у одного она точно равна разнице энергий между уровнями какого–то конкретного атома, лишь этот фотон "столкнется" с атомом, остальные пролетят мимо, в буквальном смысле "сквозь атом", ибо не смогут сообщить электрону четко заданную порцию энергии для перехода на другой уровень.
А как мы можем найти фотоны с разными энергиями?
Вроде бы, чем больше скорость, тем выше энергия, это знает каждый, но ведь все фотоны летят с одной и той же скоростью — скоростью света!
Может быть чем ярче и мощнее источник света (например если взять армейский прожектор, вместо фонарика), тем больше энергии будет у фотонов? Нет. В мощном и ярком луче прожектора просто большее количество самих штук фотонов, но энергия у каждого отдельного фотона точно такая же, как и у тех, что вылетают из дохлого карманного фонарика.
И вот тут нам придется все–таки вспомнить, что свет это не только поток шариков–частиц, но еще и волна. Разные фотоны отличаются разной длиной волны, т.е. разной частотой собственных колебаний. И чем выше частота колебаний, тем более мощный заряд энергии несет фотон.
Низкочастотные фотоны (инфракрасного света или радиоволны) несут мало энергии, высокочастотные (ультрафиолетовый свет или рентгеновское излучение) — много. Видимый свет — где–то посредине.
Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла!
Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.
А вот ультрафиолетовые фотоны — вполне себе несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло — совершенно черное и непрозрачное.
Причем, что интересно. Слишком много энергии — тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций, т.е. молекул.
Например бетон прозрачен для радиоволн, и инфракрасного излучения, непрозрачен для видимого света и ультрафиолета, не прозрачен так же для рентгена, но снова прозрачен (в какой–то мере) для гамма-излучения.
Именно по этому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.
А если еще вспомнить, что видимый свет тоже не весь белый, а состоит из разных длин (т.е. цветов) волн от красного до темно–синего, станет примерно понятно, почему предметы имеют разные цвета и оттенки, почему розы красные, а фиалки — голубые. Но, это уже тема для другого поста, объясняющего сложные физические явления простым языком аналогий на пальцах™.
Силы света: как путешествовать через вещество?
Почему стекло прозрачное, а металл и кирпич — нет? Почему зеркало отражает? Почему сквозь матовое стекло проникает свет, но ничего не видно? Разберемся в непростом вопросе: как вещество действует на падающий на него свет.
(с) minka2507/Pixabay.
Простой, казалось бы, вопрос: как свет проходит через оконное стекло и почему он не проходит через стену? Чтобы понять это, нам придется углубиться в строение вещества и самого света.
Свет — это волны
О свете можно говорить на двух языках: как о потоке частиц света (фотонов) и как об электромагнитных волнах. Первый язык более точен, чем второй, но гораздо более сложен. Фотон в веществе — отнюдь не шарик или мячик. Законы его поведения сложны, не до конца еще изучены и плохо поддаются изложению на обыденном языке. Поэтому оставим в покое дебри квантовой оптики и поговорим о свете как о волнах.
Вспомним, что вещество состоит из атомов. У каждого атома есть положительно заряженное ядро и кружащие вокруг него отрицательно заряженные электроны. Отрицательные заряды притягиваются к положительным, поэтому ядро притягивает электроны, не давая им разлететься.
Как заряженные частицы могут притягиваться или отталкиваться на расстоянии, не касаясь друг друга? Дело в том, что они окружены электрическим полем. Электроны погружены в поле ядра, и это поле притягивает их к ядру. Образно говоря, электрические поля — это длинные руки, которые заряды протягивают друг другу, чтобы взаимодействовать.
Электрическое поле есть не только у заряженных частиц, но и у света. Дело в том, что свет — электромагнитная волна. Другими словами, он состоит из колеблющегося электрического и магнитного поля. Магнитного поля света мы здесь касаться не будем, а вот об электрическом поговорим подробнее.
Электромагнитные волны во многом похожи на волны в воде от брошенного камня. Бросим камень в воду и зафиксируем взгляд на какой-нибудь торчащей из воды былинке. Ее поочередно будут накрывать гребни и впадины. Точно так же атом, попавший под световую волну, будут накрывать «гребни», где электрическое поле очень сильное, и «впадины», где оно такое же сильное, но противоположно направленное. Правда, в случае света гребни и впадины будут сменять друг друга очень часто: сотни триллионов раз в секунду!
Грузики и пружинки
Что при этом произойдет с атомом? Вспомним, что электрическое поле действует на заряженные частицы, притягивая их или отталкивая. Эта сила со стороны света будет действовать и на ядро, и на электроны. Но ядра тяжелее электронов в тысячи, а то и сотни тысяч раз, их так просто с места не сдвинешь. А вот электроны начнут колебаться в такт волне.
Однако притяжение между электроном и ядром никуда не денется. Волна будет утаскивать электрон с его законного места, а ядро притягивать его обратно. В результате электрон будет колебаться, но не как поплавок на поверхности озера, который всецело во власти волны. Скорее, он будет похож на подвешенный на пружине грузик, за который ритмично тянут вверх-вниз. Здесь пружина — это притяжение к ядру, а тянущая рука — раскачивающая электрон световая волна.
Дальше начинается самое интересное. Колеблющийся электрон сам станет источником света! Таков уж закон природы, что колеблющаяся заряженная частица испускает электромагнитные волны. Физики называют эти волны вторичными, чтобы отличить их от первичной волны, которая накрыла атом и заставила электрон колебаться.
Конечно, под светом одного атома книжку не почитаешь. Но атомов много, очень много. В стекле вашего окна их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. И во всех атомах, попавших под световую волну, электроны колеблются и излучают вторичные волны.
Коллективная прямота
Эти вторичные волны накладываются друг на друга. Это не всегда значит, что они становятся сильнее. Если гребень второй волны накладывается точно на гребень первой (говорят, что эти волны в фазе друг с другом), то они усиливают друг друга. Если же гребень второй волны попадает точно на впадину первой (эти волны в противофазе), то они сглаживают, ослабляют друг друга. Две строго одинаковые волны в противофазе компенсируют друг друга полностью, как будто никаких волн нет вообще. Нам еще придется вспомнить об этом ниже!
Получается сложная картина. Каждый отдельный атом излучает вторичные волны во всех направлениях. Но волны от разных атомов накладываются друг на друга, где-то в фазе, где-то в противофазе, а где-то «серединка на половинку». В результате где-то волны вообще компенсируют друг друга и исчезают, а где-то усиливаются.
У физиков есть способ рассчитать, что получается, когда друг на друга накладываются вторичные волны от всех бесчисленных атомов. Правда, он требует высшей математики, так что здесь вам придется поверить ученым на слово, даже если результат покажется очень странным. А он действительно поразителен: получается… свет, идущий сквозь вещество по прямой. Не во все стороны, а строго по прямой линии.
Рассеяние света: ах, какой рассеянный.
Правило «свет движется по прямой» не работает для матового стекла, задымленного воздуха и прочих мутных сред. В таких веществах световая волна то и дело наталкивается на препятствия: пузырьки воздуха в стекле, частицы дыма в воздухе и так далее. Из-за этого она постоянно меняет направление. В мутной среде свет рассеивается: беспорядочно движется во все стороны. Изображение становится похоже на пазл, кусочки которого перемешали и разбросали. Именно поэтому сквозь матовое стекло ничего не видно (что весьма уместно в некоторых ситуациях!). Поэтому же непрозрачна груда мелких осколков разбитого стекла: границы между осколками тоже рассеивают свет.
Преломление света: поворот в пути
Вернемся к прозрачному оконному стеклу. Если первичная волна падала под прямым углом к поверхности стекла, то точно так же будет двигаться и свет в веществе, порожденный вторичными волнами. Если же она падала под любым другим углом, свет, попав в вещество, несколько изменит направление. Это называется преломлением света.
Одни прозрачные вещества преломляют свет сильнее, другие слабее. Это зависит, во-первых, от плотности: чем теснее расположены атомы, тем сильнее преломляется свет. Стекло плотнее воды, поэтому преломление в стекле заметнее. Во-вторых, атомы тоже бывают разные. Выше мы сравнивали электрон, колеблющийся под действием световой волны, с грузом на пружине. Но пружины бывают разной длины и жесткости. Так и атомы различаются расстоянием от электрона до ядра и силой притяжения между ними. От этого зависит, какие вторичные волны будут излучаться и в конечном итоге — как будет преломляться свет.
Отражение света: мир в зеркалах
Все предметы, прозрачные и непрозрачные, хоть немного отражают свет. Только благодаря тому, что отраженный свет попадает нам в глаза, мы их и видим. Кстати, предметы, отражающие много света, мы воспринимаем как светлые, а почти ничего не отражающие — как темные. В жаркий день надевайте светлый головной убор, чтобы не напекло голову!
Откуда берется отраженная световая волна? Теперь, когда мы познакомились с колеблющимися электронами, легко дать ответ. Вторичные волны от каждого атома на поверхности вещества идут во всех направлениях, как вглубь вещества, так и наружу. Те, что идут внутрь, образуют свет в веществе, а те, что идут наружу,— отраженный свет.
Раз предметы отражают свет, почему мы не видим в них своего отражения? Во-первых, они отражают не весь свет, а только часть, и обычно небольшую. Но даже в свежем снегу, отражающем 90% падающего света, не полюбуешься своим отражением. Он слишком неровный: каждый крошечный участок поверхности представляет собой зеркальце, отражающее свет в собственную сторону. Чтобы поверхность стала единым зеркалом, она должна быть очень гладкой.
Лучшие зеркала получаются из металлов. В больших настенных зеркалах свет отражается от тончайшего слоя серебра, прикрытого прозрачным стеклом. В дешевых карманных зеркалах отражающий слой часто делают из алюминия.
Почему именно металлы так хорошо отражают свет? Дело в том, что в металлах есть свободные электроны. Они не прикреплены к конкретному атому, а свободно путешествуют по всему объему вещества. Эти электроны, не сдерживаемые ядрами, колеблются с большим размахом. Неудивительно, что они порождают сильные вторичные волны. Как мы помним, часть этих волн идет наружу, а часть внутрь вещества. Волны, идущие наружу, это и есть отраженный свет. А вот волны, идущие вглубь металла, находятся в противофазе с падающей волной и почти полностью гасятся (почему именно в противофазе, сложно объяснить без привлечения математики, просто поверьте). Поэтому металлы хорошо отражают свет, но очень непрозрачны.
Почему же тогда железный гвоздь, алюминиевая ложка или серебряный крестик — это не зеркало? Потому что гвоздь покрыт оксидом железа, ложка — оксидом алюминия, а крестик — оксидом серебра. Оксиды — это уже не сами металлы, и они гораздо хуже отражают свет.
Почему стекло прозрачное?
Как мне кажется, предыдущие "ораторы" отвечали немного не про то :) Вопрос был в том, почему стекло прозрачно для видимого света, а железо или, скажем, бумага -- нет. Тут действует много факторов, причём нормальными человеческими словами их описать трудно. Но я попробую.
Свет -- электромагнитная волна. Поэтому прозрачность определяется её взаимодействием с веществами. Дело тут вкратце вот в чём.
1. Металлы непрозрачны для электромагнитного излучения, потому что состоят из положительно заряженных атомов, вокруг которых гуляет электронный газ. Когда электромагнитная волна попадает в такую среду, её электрическое поле начинает взаимодействовать как с атомами, так и с электронами, и его регулярность нарушается. На этом волне приходит конец, и дальше она уже не распространяется :(
2. Чистые диэлектрики содержат нейтральные атомы и имеют потенциальную возможность пропускать электромагнитную волну с небольшим взаимодействием. Тут многое зависит от длины волны. Все чистые диэлектрики блокируют только часть частотного спектра электромагнитного излучения. Если пропускаемая таким веществом часть соответствует видимому свету, то мы имеем дело с красителем. На него падает белый свет (смесь всех цветов радуги) , а выходит, скажем, только зелёный. Или возьмём пульт управления телевизором. Его "стекло" почти непрозначно для видимого света, зато хорошо пропускает лучи "инфракрасного цвета". Ну, а для коротких волн (например, рентгеновских и тем более гамма-лучей) прозрачными являются вообще все диэлектрики.
3. Вещества, состоящие из смесей, такие как толчёное стекло (смесь диоксида кремния и воздуха) , бумага (смесь разных волокон, клея и т. д. ) вызывают многократное отражение и преломление световой волны на границах своих составляющих. Вследствие этого свет рассеивается, и такие вещества непрозрачны для него. Но для рентгеновского или гамма-излучения они прозрачны, потому что чем короче волна, тем больше её энергия и тем менее она подвержена отражениям и преломлениям.
Таким образом, прозрачность веществ для электромагнитных волн определяется многими факторами, а стекло -- это просто счастливое их совпадение, позволяющее нам видеть мир за окном и говорить по мобильнику в квартире :) Так случилось, что двуокись кремния блокирует ультрафиолет, который мы и так не видим, но хорошо пропускает видимый свет, инфракрасные лучи и радиоволны (они тоже ведь родственны свету) . Полагаю, люди долго искали достаточно доступное вещество с такими вот свойствами -- и нашли, слава богу. А иначе нам пришлось бы окна и лампочки из алмазов делать.
Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.
Причем, что интересно. Слишком много энергии — тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций, т. е. молекул.
Именно по этому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.
Свет- это волна, а она, вступает во взаимодействие с чем-либо только, если находится в резонансе электронных орбиталей вещества. Если на её пути вещество не имеет резонансных оболочек, волна проходит насквозь.
Почему одни материалы прозрачны, а другие - нет?
Собствено, сабж. Вот стекло прозрачное, а железяка - нет. Почему? Интересен ответ на уровне взаимодействия света (фотонов или э. м. волны) с частицами вещества.
Ведь у прозрачных материалов есть коэффициент преломлемния, т. е. эффективная скорость света в них падает и взаимодействие света с ними имеет место быть. Как оно происходит и чем отличается от взаимодействия с материалами непрозрачными?
О.К., железяка - неудачный пример: почему непрозрачны металлы - более-менее ясно и ясно почему это не работает для жидкостей/растворов, которые тоже проводники.
Лучше углерод: алмаз прозрачен, а графит - нет.
Если «на пальцах» (!), по дело обстоит так. Чтобы вещество было прозрачным (допустим, в видимом диапазоне) , необходимо одновременное выполнение двух важных условий. Вещество должно быть 1) пространственно ОДНОРОДНЫМ; 2) не должно иметь «свободного» электронного газа. Свободные электроны «гасят» электромагнитные волны на масштабах порядка длины экранирования Томаса-Ферми (0.05 нм) . Это делает металлы, графит, полупроводники (например, кремний) непрозрачными. Напротив, в алмазе, кристаллическом кварце или аморфном стекле свободных электронов нет, но электромагнитные волны могут в принципе взаимодействовать с коллективными колебаниями ионных остовов (ядер, окружённых электронной плотностью) . Однако, постольку ядра – тяжёлая подсистема, экранирование получается не такое сильное, как в случае более «подвижного» электронного газа. Поэтому перечисленные выше вещества прозрачны, но не на 100%. Кстати, именно по этой причине прозрачны бесцветные водные растворы электролитов, несмотря на их проводящие свойства. Что касается роли однородности структуры, то здесь хороший пример – керамика, или, скажем, волокнистые материалы (древесина и т. д.) . Несмотря на отсутствие экранирующего электронного газа, для этих веществ характерны структурные дефекты (например, поры) – и электромагнитные волны начинают рассеиваться на этих неоднородностях; в результате материал выглядит непрозрачным.
Но, если электромагнитная волна не взаимодействует с частицами вещества, то почему скорость света так сильно падает?
Marat Просветленный (25896) Она взаимодействует с колебаниями ядер (фононным полем); это приводит к уменьшению скорости света в данной среде.
В виде тончайшей плёнки и я буду прозрачным. Или если меня достаточно сильным прожектором подсветить :))))
Спасибо за ссылку, но там объяснения в стиле: "стекло прозрачное, потому что пропускает э.м. волны видимого спектра, а железо - нет". Масло маслянное, короче.
Айрат Саттаров Оракул (99058) Так и получается. Прозрачность - это свойство пропускать электромагнитное излучение (с бытовой точки зрения - видимый свет). Проход эл.-м. излучения сквозь толщу вещества эквивалентен отсутствию (или почти отсутствию) его взаимодействия с атомами этого вещества, так как любое взаимодействие уничтожает исходный фотон. Вещество непрозрочное активно взаимодействует с фотонами (определенной длины волны!) , вот они и не проходят насквозь .
О, это целый раздел физики, изучающий оптические свойства твердых тел. Строятся большие и сложные теории, в двух словах и не рассказать. Причем изучается прозрачность для электромагнитного излучения вообще, не только для видимого света. Разные материалы прозрачны в разных диапазонах, некоторые в видимом. Зависит это, в том числе, от типа кристаллической решетки, степени ее идеальности (наличия различных дефектов и их концентрации) , от типа вещества, ведь свет (фотоны) взаимодействует в веществе с электронами и ионами (рассеяние на фононах) , а их характеристики различаются у разных материалов.
Есть монографии на эту тему, например Дж. Бирман "Пространственная симметрия и оптические свойства твердых тел".
В общем я так и подозревал, что из каких-то простых и наглядных соображений описать прозрачность не получится.
fx fx Мыслитель (5144) Да, там используется квантовая механика, записываются всякие лагранжианы и гамильтонианы, функции Блоха и т. п.
Почему предметы бывают прозрачными?
Мы привыкли, что через окно можно посмотреть на улицу или во двор, а вот через стены и двери мы видеть не можем. Если они, конечно, не прозрачные. А что вообще значит «прозрачные»? Вопрос кажется наивным: материал прозрачный, если он способен пропускать через себя свет. Все мы с легкостью назовем прозрачные материалы: стекла, кристаллы, пластики. И еще проще назвать непрозрачные — все остальные. Вроде бы все просто: если мы видим через материал, то он прозрачный, если не видим, то непрозрачный.
Но давайте будем более точными в определениях. Что такое свет? Свет солнца, лампы или экрана телефона — все это часть электромагнитного излучения (ЭМИ). ЭМИ представляет собой распространяющееся изменение состояние электромагнитного поля, которое характеризуют различными показателями: длиной волны, частотой, энергией фотонов (квантов ЭМИ). В соответствии с этими показателями все ЭМИ условно делят на диапазоны: от «жесткого» гамма- и рентгеновского излучения к ультрафиолету (УФ), видимому, инфракрасному (ИК) и до радиоволн.
Практически со всеми видами ЭМИ мы сталкиваемся каждый день: в кабинете рентгенолога — с рентгеновским, греясь на солнце — с ультрафиолетовым, рядом с обогревателем — с инфракрасным, говоря по телефону или слушая радио — с радиоволнами. И, конечно же, мы непрерывно ощущаем видимое излучение — область ЭМИ, на прием которого «настроены» наши глаза. Вне зависимости от названия диапазонов разные виды излучения являются волнами и одновременно потоками квазичастиц — фотонов, которые непрерывно бомбардируют все и вся вокруг нас.
Свет может быть разный. Отсюда логично сделать вывод, что и прозрачность тоже может быть разной, в зависимости от того, о каком свете идет речь
Теперь давайте по-новому посмотрим на привычные нам прозрачные материалы, например на стекло. Для видимого диапазона ЭМИ стекло прозрачно, свет проходит через стекло, и мы отлично все видим сквозь этот материал. Однако для других диапазонов ЭМИ стекло перестает быть прозрачным материалом. Задумайтесь, можете ли вы загореть, сидя в солнечный день возле закрытого окна, сделанного из обычного стекла? Нет, и причина в том, что обычное (натрий-кальций-силикатное) стекло не пропускает излучение УФ-диапазона.
А если кто-то будет следить за вами в тепловизор (как в фильме «Хищник»), то вы сможете легко скрыться от наблюдателя, просто находясь за стеклом. Опять же потому, что стекло не прозрачно для большей части излучения ИК-диапазона, в котором человеческое тело излучает тепло и на которое настроены детекторы тепловизоров. Так одно и то же стекло может быть и прозрачным, и непрозрачным в зависимости от того, какое излучение через него проходит. Этот вывод распространяется и на другие известные нам прозрачные материалы: ведь то, что мы видим глазами, — лишь малая часть ЭМИ.
Теперь мы можем ответить на вопрос, который вынесли в начало текста: почему предметы бывают прозрачными? Если отвечать кратко и поверхностно, то потому, что эти предметы не поглощают ЭМИ. Причину прозрачности мы рассмотрим на заведомо упрощенных частных примерах.
Все твердые тела можно условно классифицировать в зависимости от их электронного строения на три типа: проводники, полупроводники и диэлектрики
Эта классификация находится в рамках зонной теории, которая вводит понятия энергетических зон: валентной, запрещенной и зоны проводимости. Стекла являются типичными диэлектриками. «Ширина» их запрещенной зоны (выраженная в энергии в электронвольтах) велика, и электроны из валентной зоны при обычных условиях никак не могут попасть в зону проводимости (кстати, именно поэтому стекло не проводит электрический ток).
Однако, когда мы облучаем наше стекло светом (то есть ЭМИ), падающие фотоны начинают взаимодействовать с электронами валентной зоны стекла. В упрощенном случае такое взаимодействие может быть выражено в том, что электрон поглотит энергию фотона, возбудится и перейдет в зону проводимости, после чего релаксирует («спустится») обратно в валентную зону. Однако для такого поглощения фотона электроном необходимо, чтобы фотон обладал энергией большей, чем ширина запрещенной зоны. В противном случае подобного поглощения не произойдет. Это наглядно демонстрируется при сравнении прозрачности стекла для видимого и УФ-излучения.
Энергия фотонов видимого излучения меньше, чем ширина запрещенной зоны стекол (или других прозрачных материалов). Поэтому они не поглощаются электронами материала и видимый свет проходит через стекло, делая его прозрачным. В то же время энергия фотонов УФ-излучения больше, чем ширина запрещенной зоны. Происходит поглощение энергии фотонов и возбуждение электронов, и стекло становится непрозрачным для УФ-излучения.
Необходимо отметить, что есть стекла, прозрачные в ультрафиолете (до определенного предела), например кварцевые, состоящие из чистого SiO2. Их структура такова, что ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов УФ-излучения.
В то же время есть много прозрачных, но окрашенных стекол — это результат химической технологии стекла. В состав стекол вводят ионы или наночастицы, которые взаимодействуют с фотонами видимого света с определенной энергией. В результате происходит поглощение света на определенной длине волны, что выражается в видимой нами окраске стекла. Также есть стекла, прозрачные только в УФ-диапазоне и непрозрачные в видимом диапазоне ЭМИ. В их состав введены красители, которые поглощают все фотоны видимого света. При этом ширина запрещенной зоны такого стекла достаточна для прохождения фотонов УФ-диапазона (стекла марки УФС).
Более того, прозрачными могут быть не только привычные нам диэлектрики, но и материалы, которые на первый взгляд совсем непрозрачны в видимом диапазоне. Пример тому — оптическая керамика, которая, как и обычная керамика, представляет собой спеченные частицы кристаллической фазы. Любая керамика является типичным диэлектриком и удовлетворяет требованиям ширины запрещенной зоны: она достаточно велика, чтобы фотоны видимого света не поглощались электронами. Однако непрозрачность обычной керамики связана с тем, что размер спеченных частиц очень велик и свет рассеивается на границах этих частиц. В оптической керамике для спекания используются нанопорошки. В результате материал состоит из спеченных нанокристаллов с размерами, во много раз меньшими длины волны видимого света, что позволяет ему проходить через материал, делая его прозрачным.
Георгий Юрьевич Шахгильдян, кандидат химических наук, ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ имени Д. И. Менделеева, участник конкурса «Первая кафедра», лектор культурно-просветительского проекта «Архэ»
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Читайте также: