Glavna karakteristika stakla je njegova transparentnost. I, vjerovatno, mnogi su se pitali: "Zašto ima ovo svojstvo?" Zaista, zahvaljujući ovoj kvaliteti, staklo je postalo široko rasprostranjeno i široko se koristi u svakodnevnom životu.

Ako se dublje zadubimo u ovu temu, većini ljudi može izgledati prilično teško i neshvatljivo, budući da su mnogi fizički procesi pogođeni u područjima poput optike, kvantne mehanike i hemije. Za opšte informacije, bolje je koristiti jednostavniji narativni jezik koji će biti razumljiv mnogim korisnicima.

Dakle, poznato je da se sva tijela sastoje od molekula, a molekule su, zauzvrat, napravljene od atoma, čija je struktura prilično jednostavna. U središtu atoma nalazi se jezgro koje se sastoji od protona i neutrona, oko kojih se elektroni rotiraju u svojim orbitama. Osvetljenje je takođe prilično jednostavno. Samo treba to zamisliti kao mlaz fotonskih kuglica koje lete iz baterijske lampe, na koje naše oči reaguju. Ako stavite betonski zid između očiju i svjetiljke, svjetlo će postati nevidljivo. Ali ako upalite baterijskom lampom na ovaj zid sa strane posmatrača, možete vidjeti kako se zraci svjetlosti odbijaju od betona i ponovo padaju u oči. Sasvim je logično da fotonske kugle ne prolaze kroz betonsku barijeru zbog činjenice da udaraju u elektrone, koji se kreću tolikom nevjerovatnom brzinom da foton svjetlosti ne može prodrijeti kroz orbitu elektrona do jezgra i na kraju se odbija od elektrona.

Takođe na temu: Zašto pjenasta guma postaje žuta?

Međutim, zašto svjetlost prodire kroz staklene barijere? Uostalom, unutar stakla se nalaze i molekuli i atomi. Ako uzmete prilično debelo staklo, tada se leteći foton mora sudariti s njima, jer u svakom staklenom zrnu jednostavno postoji nemjerljiv broj atoma. U ovom slučaju sve ovisi o tome kako se elektroni sudaraju s fotonima. Na primjer, kada foton udari elektron koji rotira oko protona, sva njegova energija odlazi elektronu. Foton se apsorbuje u njega i nestaje. Zauzvrat, elektron prima dodatnu energiju (onu koju je foton imao) i uz nju se kreće na višu orbitu, čime počinje da rotira dalje od jezgre. Obično su udaljene orbite manje stabilne, tako da nakon nekog vremena elektron oslobađa uzetu česticu i vraća se na svoju stabilnu orbitu. Emitirani foton se šalje u bilo kojem proizvoljnom smjeru, nakon čega ga neki susjedni atom apsorbira. Nastavit će lutati u tvari sve dok se ne emituje nazad ili na kraju ne ode, kao u određenom slučaju, da zagrije betonski zid.

Takođe na temu: Zašto se sapun pjeni?

Važno je da orbite elektrona nisu nasumično locirane oko atomskog jezgra. Atomi svakog hemijskog elementa imaju jasno formiran skup nivoa ili orbite, to jest, elektron nije u stanju da se podigne više ili da padne niže. Ima sposobnost da preskoči samo čistu prazninu dole ili gore. I svi ovi nivoi imaju različite energije. Stoga se ispostavlja da je samo foton sa određenom, tačno određenom energijom u stanju da usmeri elektron na višu orbitu.

Ispostavilo se da među tri leteća fotona s različitim indikatorima energetskog naboja, samo jedan pristaje s atomom čija će energija biti tačno jednaka energetskoj razlici između nivoa jednog specifičnog atoma. Ostatak će proletjeti i neće moći dati elektronu dati dio energije da bi mogao preći na drugi nivo.

Transparentnost stakla objašnjava se činjenicom da se elektroni u njegovim atomima nalaze u takvim orbitama da je za njihov prelazak na viši nivo potrebna energija, koja nije dovoljna za foton vidljive svjetlosti. Iz tog razloga, foton se ne sudara sa atomima i prilično lako prolazi kroz staklo.

Takođe na temu: Kako poboljšati hidrolizu?

Recimo odmah da je netačna tvrdnja da što je moćniji i svjetliji izvor svjetlosti, to će fotoni imati više energije. Snaga zavisi od više njih. Energija svake pojedinačne čestice svjetlosti je ista. Kako pronaći fotone s različitim energetskim nabojem? Da bismo to učinili, moramo zapamtiti da svjetlost još uvijek nije samo mlaz kuglica čestica, već je i talas. Različiti fotoni se međusobno razlikuju po različitim talasnim dužinama. I što je viša frekvencija oscilacija, to je čestica snažnija nosi naboj energije. Fotoni niske frekvencije nose malo energije, a visokofrekventni fotoni mnogo. Prvi uključuju radio talase i infracrveno svetlo. Drugi su rendgenski zraci. Svetlost vidljiva našim okom je negde u sredini. Istovremeno, na primjer, isti beton je providan za radio valove, za gama zračenje i infracrveno zračenje, ali je neproziran za ultraljubičasto, rendgensko i vidljivo svjetlo.

07.02.2017 15:49 850

Zašto je staklo providno?

Staklo je veoma važan materijal koji osoba koristi u različitim oblastima života. Od njega se izrađuju prozori, posuđe, ogledala, sočiva za naočare itd...

Zamislite samo: vraćate se iz škole i vidite da na prozorima vašeg stana nema stakla. Nestao također iz kuće i sve staklene posude. Želiš da pogledaš svoje iznenađeno lice u ogledalu, ali ni ono nije bilo na mestu... I ne bismo imali mnogo drugih korisnih stvari sada da se staklo nije pojavilo u jednom trenutku.

U našem članku ćemo vam ispričati povijest stakla, kako je ušlo u naše živote i zašto je tako prozirno. Ko je izmislio ovaj koristan, lomljiv materijal? Čudno - niko. Činjenica je da je staklo stvorila sama priroda.

Nekada davno, mnogo miliona godina pre pojave prvog čoveka na zemlji, staklo je već postojalo. A nastala je od prvo usijane, a zatim ohlađene lave, koja je iz vulkana izašla na površinu. Ovo prirodno staklo sada se zove opsidijan.

Međutim, nisu mogli zastakliti, na primjer, prozore. I ne samo zato što tada nije bilo prozora, već i zato što prirodno staklo ima prljavo sivu boju i kroz njega se apsolutno ništa ne vidi.

Kako se onda pojavilo staklo pogodno za konzumaciju, odnosno prozirno? Možda su ljudi naučili da ga peru? Jao, prirodno staklo je prljavo ne spolja, već iznutra, pa ni najsavremeniji deterdženti tu neće pomoći...

Postoji nekoliko legendi o tome kako su ljudi prvi put napravili staklo blisko modernom staklu. Sve su one vrlo monotone i njihovo značenje se svodi na to da su putnici, nemajući pri ruci kamenje za ognjište, koristili komadiće prirodne sode.

Štaviše, to se dogodilo u pustinji ili na obali rezervoara, gdje je uvijek bilo pijeska. I tako, pod uticajem vatre, soda i pesak su se otopili i spojili, formirajući staklo. Ljudi su dugo vjerovali u ove legende. Ali nedavno je postalo jasno da sve to nije istina, jer toplina koja proizlazi iz vatre nije dovoljna za takav rafting.

Ljudi su počeli proizvoditi staklo vlastitim rukama prije više od 5 hiljada godina, u Egiptu. Istina, ni tada nije bio proziran, ali zbog činjenice da je u pijesku bilo stranih nečistoća, imao je zelenu ili plavu nijansu. Ali postepeno su na Istoku naučili da se oslobode ovih nečistoća. Sudeći po iskopavanjima, prvi stakleni proizvodi su bile perle.

Nešto kasnije počeli su prekrivati ​​posuđe staklom. A ljudima je trebalo još 2 hiljade godina da nauče kako da ga u potpunosti naprave od stakla. Tajna proizvodnje stakla je u to vrijeme bila toliko vrijedna da je vlada Venecije početkom 13. vijeka poslala specijalne ljude na istok da saznaju, pa su tu tajnu dobili Mlečani.

Osnovali su vlastitu proizvodnju i uspjeli su staklo učiniti još transparentnijim, pogodivši da dodaju malo olova u njegov sastav. U početku se staklo proizvodilo u samoj Veneciji. Lokalne vlasti su se jako plašile da neko ne otkrije tajnu proizvodnje, pa je prostor gde su se nalazile ove radionice uvek bio ograđen od strane vojnika.

Niko od radnika koji se bave proizvodnjom stakla nije imao pravo da napusti grad. Za svaki pokušaj da se to učini, ne samo sam staklar, već i cijela njegova porodica osuđeni su na smrt. Na kraju je odlučeno da se radionice presele na ostrvo Murano. Odatle je bilo teže pobjeći, a i doći.

Godine 1271. venecijanski brusilice su naučili da prave leće od stakla, koje u početku nisu bile veoma tražene. Ali 1281. godine smislili su kako ih umetnuti u posebno dizajnirane okvire.Tako su se pojavile prve naočale. U početku su bili toliko skupi da su bili odličan poklon čak i za kraljeve i careve.

Krajem 15. stoljeća, kada su u Veneciji naučili praviti posuđe od stakla, Murano (nazvan po ostrvu na kojem su se proizvodili) proizvodi su postali toliko popularni u cijelom svijetu da su morali biti izgrađeni dodatni brodovi za njihovu dostavu.

Ali poboljšanje stakla se nastavilo kasnije. Došlo je vrijeme i ljudi su došli na ideju da ga prekriju posebnim sastavom - amalgamom, pa su se pojavila ogledala.

U Rusiji je proizvodnja stakla počela prije hiljadu godina, u malim radionicama. A 1634. godine izgrađena je prva fabrika stakla u blizini Moskve.

Optička svojstva stakla povezana su s karakterističnim karakteristikama interakcije svjetlosnih zraka sa staklom. Upravo optička svojstva određuju ljepotu i originalnost dekorativne obrade staklenih proizvoda.

Refrakcija i disperzija karakteriziraju obrasce širenja svjetlosti u tvari u zavisnosti od njene strukture. Prelamanje svjetlosti je promjena smjera širenja svjetlosti pri prelasku iz jedne sredine u drugu, koja se od prve razlikuje po vrijednosti brzine širenja.

Na sl. Slika 6 prikazuje putanju zraka dok prolazi kroz ravnoparalelnu staklenu ploču. Upadni snop formira uglove sa normalom na interfejs između medija u tački upada. Ako snop ide od vazduha do stakla, onda je i upadni ugao, r je ugao prelamanja (na slici i>r, jer je u vazduhu brzina prostiranja svetlosnih talasa veća nego u staklu, u ovom slučaju vazduh je medij optički manje gustoće od stakla).

Refrakciju svjetlosti karakterizira relativni indeks prelamanja - omjer brzine svjetlosti u mediju iz kojeg svjetlost pada na sučelje prema brzini svjetlosti u drugom mediju. Indeks loma se određuje iz relacije n=sin i/sin r. Relativni indeks loma nema dimenziju, a za prozirne medije zrak-staklo je uvijek veći od jedinice. Na primjer, relativni indeksi prelamanja (u odnosu na zrak): voda - 1,33, kristalno staklo - 1,6, - 2,47.

Rice. 7. Prizmatični (disperzivni) spektar a - razlaganje svjetlosnog snopa prizmom; b- raspon boja vidljivog dijela

Lagana disperzija je ovisnost indeksa loma o frekvenciji svjetlosti (valnoj dužini). Normalnu disperziju karakteriše povećanje indeksa prelamanja sa povećanjem frekvencije ili smanjenjem talasne dužine.

Zbog disperzije, snop svjetlosti koji prolazi kroz staklenu prizmu formira duginu prugu na ekranu postavljenom iza prizme - prizmatični (disperzivni) spektar (slika 7a). U spektru su boje raspoređene u određenom nizu, počevši od ljubičaste i završavajući crvenom (slika 7.6).

Razlog razgradnje svjetlosti (disperzije) je ovisnost indeksa loma o frekvenciji svjetlosti (valnoj dužini): što je frekvencija svjetlosti veća (kraća talasna dužina), to je veći indeks loma. U prizmatičnom spektru, ljubičaste zrake imaju najveću frekvenciju i najkraću valnu dužinu, a crvene imaju najnižu frekvenciju i najveću valnu dužinu, stoga se ljubičaste zrake lome više od crvenih.

Indeks loma i disperzija zavise od sastava stakla, a indeks loma zavisi i od gustine. Što je veća gustina, veći je indeks loma. CaO, Sb 2 O 3, PbO, BaO, ZnO i alkalni oksidi povećavaju indeks prelamanja, a dodatak SiO 2 ga smanjuje. Disperzija se povećava sa uvođenjem Sb 2 O 3 i PbO. CaO i BaO imaju jači učinak na indeks loma nego na disperziju. Za proizvodnju visokoumjetničkih proizvoda i visokokvalitetnog stolnog posuđa koje se melje uglavnom se koristi staklo koje sadrži do 30% PbO, jer PbO značajno povećava indeks loma i disperziju.

Refleksija svjetlosti- fenomen koji se uočava kada svjetlost pada na sučelje dva optički različita medija i sastoji se od formiranja reflektiranog talasa koji se širi od sučelja u isti medij iz kojeg dolazi upadni val. Refleksija se odlikuje koeficijentom refleksije, koji je jednak omjeru reflektiranog svjetlosnog toka prema upadnom.

Oko 4% svjetlosti se reflektira od staklene površine. Efekat refleksije je pojačan prisustvom brojnih poliranih površina (rezbarenje dijamanata, fasetiranje).

Ako su nepravilnosti interfejsa male u odnosu na valnu dužinu upadne svjetlosti, tada dolazi do zrcalne refleksije; ako su nepravilnosti veće od valne dužine, dolazi do difuzne refleksije, u kojoj se svjetlost raspršuje po površini u svim mogućim smjerovima. Refleksija se naziva selektivnom ako refleksija nije ista za svjetlost različitih valnih dužina. Selektivna refleksija objašnjava boju neprozirnih tijela.

Rasipanje svetlosti- pojava uočena tokom širenja svjetlosnih valova u mediju sa nasumično raspoređenim nehomogenostima i sastoji se u formiranju sekundarnih valova koji se šire u svim mogućim smjerovima.

U običnom prozirnom staklu rasipanje svjetlosti se praktički ne događa. Ako je površina stakla neravna (matirano staklo) ili su nehomogenosti (kristali, inkluzije) ravnomjerno raspoređene po staklu, tada svjetlosni valovi ne mogu proći kroz staklo bez raspršivanja i stoga je takvo staklo neprozirno.

Transmisija i apsorpcija svjetlosti je objašnjeno kako slijedi. Kada svjetlosni snop intenziteta I 0 prođe kroz prozirni medij (supstancu), intenzitet početnog strujanja je oslabljen i svjetlosni snop koji izlazi iz medija imat će intenzitet I< I 0 . Ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды.

Apsorpcija smanjuje ukupnu prozirnost stakla, koja za prozirno natrijum-kalc staklo iznosi približno 93%. Apsorpcija svjetlosti je različita za različite valne dužine, zbog čega zatamnjena stakla imaju različite boje. Boja stakla (tabela 2), koju oko opaža, određena je bojom onog dijela upadnog snopa svjetlosti koji je prošao kroz staklo neapsorbiran.

Indikatori transmisije (apsorpcije) u vidljivom dijelu spektra važni su za procjenu boje sortnih, signalnih i drugih obojenih stakala, u infracrvenom području - za tehnološke procese topljenja i oblikovanja stakla (termalna prozirnost stakla), u ultraljubičasto - za performanse naočala (proizvodi od uviol stakla treba da propuštaju ultraljubičaste zrake, a posude treba da blokiraju).

Dvolomnost- bifurkacija svjetlosnog snopa pri prolasku kroz optički anizotropni medij, odnosno medij s različitim svojstvima u različitim smjerovima (na primjer, većina kristala). Ovaj fenomen nastaje jer indeks loma ovisi o smjeru električnog vektora svjetlosnog vala. Zraka svjetlosti koja ulazi u kristal razlaže se na dvije zrake - običnu i izvanrednu. Brzine širenja ovih zraka su različite. Dvolomnost se mjeri razlikom u putanji zraka, nm/cm.

Kada se staklo neravnomjerno hladi ili zagrijava, u njemu nastaju unutrašnji naponi koji uzrokuju dvolomnost, odnosno staklo se upoređuje sa dvolomnim kristalom, na primjer kvarc, liskun, gips. Ovaj fenomen se koristi za kontrolu kvaliteta termičke obrade stakla, uglavnom žarenja i kaljenja.

Kao što znate, sva tijela se sastoje od molekula, a molekuli se sastoje od atoma. Atomi takođe nisu komplikovani (u našem jednostavnom opisu prsta). U središtu svakog atoma nalazi se jezgro koje se sastoji od protona, ili grupe protona i neutrona, a oko njega elektroni rotiraju u krug u svojim orbitama/orbitalama elektrona.

Svetlo je takođe jednostavno. Zaboravimo (ko se sjetio) dualnost talas-čestica i Maxwellove jednačine, neka svjetlost bude tok fotonskih kuglica koje lete iz svjetiljke pravo u naše oči.

Sada, ako stavimo betonski zid između lampe i oka, više nećemo vidjeti svjetlo. A ako upalimo baterijskom lampom na ovaj zid sa naše strane, vidjet ćemo suprotno, jer će se snop svjetlosti reflektirati od betona i pogoditi naše oko. Ali svjetlost neće proći kroz beton.

Logično je pretpostaviti da se fotonske kuglice odbijaju i da ne prolaze kroz betonski zid jer udaraju u atome supstance, tj. beton. Tačnije, udaraju u elektrone, jer se elektroni rotiraju tako brzo da foton ne prodire kroz elektronsku orbitalu do jezgre, već se odbija i odbija od elektrona.

Zašto svjetlost prolazi kroz stakleni zid? Zaista, unutar stakla se nalaze i molekuli i atomi, a ako uzmemo dovoljno debelo staklo, svaki foton se prije ili kasnije mora sudariti s jednim od njih, jer u svakom staklenom zrnu ima trilijuna atoma! Sve je u tome kako se elektroni sudaraju sa fotonima. Uzmimo najjednostavniji slučaj, jedan elektron se okreće oko jednog protona (ovo je atom vodika) i zamislimo da foton udari u ovaj elektron.

Sva energija fotona se prenosi na elektron. Kažu da je foton apsorbovao elektron i da je nestao. I elektron je dobio dodatnu energiju (koju je foton nosio sa sobom) i iz te dodatne energije je skočio na višu orbitu i počeo da leti dalje od jezgra.

Najčešće su više orbite manje stabilne, a nakon nekog vremena elektron će emitovati ovaj foton, tj. „pustiće ga na slobodu“, a on će se vratiti u svoju nisku stabilnu orbitu. Emitirani foton će letjeti u potpuno slučajnom smjeru, zatim će ga apsorbirati drugi, susjedni atom, i ostat će lutati u supstanci sve dok slučajno ne zrači natrag, ili na kraju ne zagrije betonski zid.

Sada dolazi zabavni dio. Elektronske orbite ne mogu se nalaziti bilo gdje oko jezgra atoma. Svaki atom svakog hemijskog elementa ima dobro definisan i konačan skup nivoa ili orbita. Elektron ne može ići malo više ili malo niže. Može skočiti samo sasvim jasan jaz gore ili dolje, a pošto se ti nivoi razlikuju po energiji, to znači da samo foton sa određenom i vrlo precizno zadatom energijom može gurnuti elektron na višu orbitu.

Ispada da ako imamo tri fotona koji lete s različitim energijama, a samo za jedan je tačno jednaka energetskoj razlici između nivoa određenog atoma, samo će se ovaj foton „sudariti“ s atomom, a ostali će proletjeti. , doslovno „kroz atom“, jer neće moći da informišu elektron o jasno definisanom delu energije za prelazak na drugi nivo.

Kako možemo pronaći fotone sa različitim energijama?

Čini se da što je veća brzina, to je veća energija, to svi znaju, ali na kraju krajeva, svi fotoni lete istom brzinom - brzinom svjetlosti!

Možda što je svetliji i moćniji izvor svetlosti (na primer, ako uzmete vojni reflektor umesto baterijske lampe), fotoni će imati više energije? br. U snažnom i jakom snopu reflektora, jednostavno je više samih fotona, ali energija svakog pojedinačnog fotona je potpuno ista kao i energija onih koji izlete iz mrtve baterijske lampe.

I ovdje još uvijek moramo zapamtiti da svjetlost nije samo mlaz kuglica čestica, već i talas. Različiti fotoni imaju različite talasne dužine, tj. različite prirodne frekvencije. I što je viša frekvencija oscilacija, to je snažniji naboj energije koji foton nosi.

Fotoni niske frekvencije (infracrveno svjetlo ili radio valovi) nose malo energije, visokofrekventni fotoni (ultraljubičasto svjetlo ili rendgenski zraci) nose mnogo. Vidljiva svjetlost je negdje u sredini. Tu leži ključ transparentnosti stakla! Svi atomi u staklu imaju elektrone u takvim orbitama da im je potrebno pojačanje energije za prelazak na višu, koju fotoni vidljive svjetlosti nemaju dovoljno. Dakle, prolazi kroz staklo, a da se praktično ne sudara sa svojim atomima.

Ali ultraljubičasti fotoni nose energiju potrebnu da se elektroni kreću iz orbite u orbitu, zbog čega je u ultraljubičastom svjetlu obično prozorsko staklo potpuno crno i neprozirno.

Štaviše, šta je zanimljivo. Previše energije je takođe loše. Energija fotona mora biti točno jednaka energiji prijelaza između orbita, iz kojih je bilo koja tvar prozirna za neke dužine (i frekvencije) elektromagnetnih valova, a ne transparentna za druge, jer se sve tvari sastoje od različitih atoma i njihovih konfiguracija. .

Na primjer, beton je proziran za radio valove i infracrveno zračenje, neproziran za vidljivu svjetlost i ultraljubičasto, nije proziran za rendgenske zrake, ali opet proziran (u određenoj mjeri) za gama zračenje.

Zbog toga je ispravno reći da je staklo providno za vidljivu svjetlost. I za radio talase. I za gama zračenje. Ali je neproziran za ultraljubičasto svjetlo. I skoro da nije proziran za infracrveno svjetlo.

A ako se također sjetimo da vidljiva svjetlost također nije u potpunosti bijela, već se sastoji od različitih valnih dužina (tj. boja) od crvene do tamnoplave, bit će otprilike jasno zašto predmeti imaju različite boje i nijanse, zašto su ruže crvene, a ljubičice plava.

Zašto su gasovi providni, a čvrste materije nisu?

Temperatura igra odlučujuću ulogu u tome da li je određena supstanca čvrsta, tečna ili gasovita. Pri normalnom pritisku na površini zemlje na temperaturi od 0 stepeni Celzijusa i niže, voda je čvrsta materija. Na temperaturama između 0 i 100 stepeni Celzijusa, voda je tečnost. Na temperaturama iznad 100 stepeni Celzijusa, voda je gas. Para iz tiganja se ravnomjerno širi po kuhinji u svim smjerovima. Na osnovu gore navedenog, pretpostavimo da je moguće vidjeti kroz plinove, ali je to nemoguće kroz čvrsta tijela. Ali neke čvrste materije, kao što je staklo, prozirne su kao vazduh. Kako ovo funkcionira? Većina čvrstih materija apsorbuje svetlost koja pada na njih. Dio apsorbirane svjetlosne energije koristi se za zagrijavanje tijela. Većina upadne svjetlosti se reflektira. Dakle, vidimo čvrsto tijelo, ali ne možemo vidjeti kroz njega.

zaključci

Supstanca izgleda prozirna kada kvanti svjetlosti (fotoni) prolaze kroz nju, a da se ne apsorbiraju. Ali fotoni imaju različite energije i svako hemijsko jedinjenje apsorbuje samo one fotone koji imaju odgovarajuću energiju. Vidljivo svjetlo – od crvene do ljubičaste – ima vrlo mali raspon energija fotona. A upravo taj raspon ne zanima silicijum dioksid, glavni sastojak stakla. Stoga fotoni vidljive svjetlosti prolaze kroz staklo gotovo neometano.

Pitanje nije zašto je staklo prozirno, već zašto drugi objekti nisu providni. Sve je u energetskim nivoima na kojima su elektroni u atomu. Možete ih zamisliti kao različite redove na stadionu. Elektron ima određeno mjesto u jednom od redova. Međutim, ako ima dovoljno energije, može skočiti u drugi red. U nekim slučajevima, apsorpcija jednog od fotona koji prolazi kroz atom će osigurati potrebnu energiju. Ali postoji kvaka. Za prijenos elektrona iz reda u red, foton mora imati striktno definiranu količinu energije, inače će proletjeti. Ovo se dešava sa staklom. Redovi su toliko udaljeni da energija fotona vidljive svjetlosti jednostavno nije dovoljna da pomjeri elektrone između njih.

A fotoni u ultraljubičastom spektru imaju dovoljno energije, pa se apsorbuju, i koliko god se trudili, nećete pocrniti ako se sakrijete iza stakla. Tokom stoljeća koji je prošao otkako je staklo proizvedeno, ljudi su u potpunosti cijenili njegovo jedinstveno svojstvo da je i tvrdo i providno. Od prozora koji propuštaju dnevnu svjetlost i štite od vremenskih nepogoda, do instrumenata koji vam omogućavaju da zavirite daleko u svemir ili posmatrate mikroskopske svjetove.

Lišiti modernu civilizaciju stakla, a šta će od njega ostati? Čudno, retko razmišljamo o tome koliko je to važno. To se vjerovatno dešava zato što, budući da je prozirno, staklo ostaje nevidljivo, a mi zaboravljamo da je tu.

Kao dijete, jednom sam pitao oca: "Zašto staklo propušta svjetlost?" Do tada sam naučio da je svjetlost tok čestica zvanih fotoni, i činilo mi se nevjerovatnim kako tako mala čestica može proletjeti kroz debelo staklo. Otac je odgovorio: "Zato što je providno." Ja sam ćutao, jer sam shvatio da je „providno“ samo sinonim za izraz „prenosi svetlost“, a moj otac nije znao odgovor. Ni u školskim udžbenicima nije bilo odgovora, ali bih volio da znam. Zašto staklo propušta svjetlost?

Odgovori

Fizičari svjetlost nazivaju ne samo vidljivom svjetlošću, već i nevidljivim infracrvenim zračenjem, ultraljubičastim zračenjem, rendgenskim zracima, gama zračenjem, radio valovima. Materijali koji su transparentni za jedan dio spektra (na primjer, za zeleno svjetlo) mogu biti neprozirni za druge dijelove spektra (crveno staklo, na primjer, ne propušta zelene zrake). Obično staklo ne propušta ultraljubičasto zračenje, a kvarcno staklo je prozirno za ultraljubičasto zračenje. Materijali koji su transparentni za rendgenske zrake su materijali koji uopće ne propuštaju vidljivu svjetlost. itd.

Svjetlost se sastoji od čestica koje se nazivaju fotoni. Fotoni različitih “boja” (frekvencija) nose različite dijelove energije.

Fotone može apsorbovati materija, prenoseći energiju i zagrijavajući je (što je dobro poznato svima koji su se sunčali na plaži). Svjetlost se može reflektirati od tvari, naknadno ući u naše oči, tako da vidimo predmete oko sebe, ali u potpunom mraku, gdje nema izvora svjetlosti, ne vidimo ništa. I svjetlost može proći kroz supstancu - i tada kažemo da je ta supstanca providna.

Različiti materijali apsorbiraju, reflektiraju i prenose svjetlost u različitim proporcijama i stoga se razlikuju po svojim optičkim svojstvima (tamniji i svjetliji, različite boje, sjaj, prozirnost): čađ apsorbira 95% svjetlosti koja pada na nju, a polirano srebrno ogledalo reflektira 98% od svetlosti. Stvoren je materijal baziran na ugljičnim nanocijevima koji reflektuje samo 45 hiljaditih procenta upadne svjetlosti.

Postavljaju se pitanja: kada supstanca apsorbuje foton, kada se reflektuje, a kada prolazi kroz supstancu? Sada nas zanima samo treće pitanje, ali ćemo usput odgovoriti na prvo.

Interakcija svjetlosti i materije je interakcija fotona sa elektronima. Elektron može apsorbirati foton i može emitovati foton. Nema refleksije fotona. Refleksija fotona je proces u dva koraka: apsorpcija fotona i naknadna emisija potpuno istog fotona.

Elektroni u atomu mogu zauzimati samo određene orbite, od kojih svaka ima svoj energetski nivo. Atom svakog hemijskog elementa karakteriše sopstveni skup energetskih nivoa, odnosno dozvoljene orbite elektrona (isto važi i za molekule, kristale, kondenzovano stanje materije: čađ i dijamant imaju iste atome ugljika, ali optički svojstva supstanci su različita; metali, fino reflektujući svjetlost, prozirni su i čak mijenjaju boju (zeleno zlato) ako se od njih prave tanki filmovi; amorfno staklo ne propušta ultraljubičasto, a od istih molekula silicijum oksida kristalno staklo je prozirno za ultraljubičasto).

Nakon što je apsorbirao foton određene energije (boje), elektron se kreće na višu orbitu. Naprotiv, nakon što emituje foton, elektron se kreće u nižu orbitu. Elektroni ne mogu da apsorbuju i emituju fotone, već samo one čija energija (boja) odgovara razlici u energetskim nivoima ovog atoma.

Dakle, kako se svjetlost ponaša kada naiđe na materiju (reflektira, apsorbira, prođe) ovisi o tome koji su dozvoljeni energetski nivoi date supstance i kakvu energiju imaju fotoni (tj. koje boje svjetlost pada na supstancu).

Da bi foton apsorbirao jedan od elektrona u atomu, on mora imati striktno definiranu energiju koja odgovara energetskoj razlici bilo koja dva energetska nivoa atoma, inače će proletjeti. U staklu je rastojanje između pojedinačnih energetskih nivoa veliko i ni jedan foton vidljive svetlosti nema odgovarajuću energiju, koja bi bila dovoljna da elektron, apsorbujući foton, može da skoči na viši energetski nivo. Stoga staklo prenosi fotone vidljive svjetlosti. Ali fotoni ultraljubičastog svjetla imaju dovoljno energije, tako da elektroni apsorbiraju te fotone, a staklo zadržava ultraljubičasto. Kod kvarcnog stakla razmak između dozvoljenih energetskih nivoa (energetski jaz) je još veći, pa stoga fotoni ne samo vidljive, već i ultraljubičaste svjetlosti nemaju dovoljno energije da ih elektroni apsorbuju i pređu na gornje dozvoljene nivoe.

Dakle, fotoni vidljive svjetlosti prolaze kroz staklo jer nemaju odgovarajuću energiju da pomjere elektrone na viši energetski nivo, pa staklo stoga izgleda prozirno.

Dodavanjem nečistoća koje imaju drugačiji energetski spektar staklu, ono se može učiniti obojenim – staklo će apsorbirati fotone određenih energija i prenositi druge fotone vidljive svjetlosti.