Почему стекло пропускает свет. Почему стекло прозрачное на пальцах™

Будучи ребёнком, я однажды спросил отца: "Почему стекло пропускает свет?" К тому времени я узнал, что свет - это поток частиц, называемых фотонами, и мне казалось удивительным, как такая маленькая частица может пролетать сквозь толстое стекло. Отец ответил: "Потому что оно прозрачное". Я промолчал, т. к. понимал, что "прозрачное" есть всего лишь синоним выражения "пропускает свет", а отец на самом деле не знает ответа. В школьных учебниках ответа тоже не было, а знать хотелось бы. Почему же стекло пропускает свет?

Ответ

Светом физики называют не только видимый свет, но и невидимое инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-излучение, радиоволны. Материалы, прозрачные для одной части спектра (например, для зелёного света), могут быть непрозрачными для других частей спектра (красное стекло, например, не пропускает зелёных лучей). Обычное стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение, а кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолета. Для рентгеновских лучей прозрачными являются материалы, которые совсем не пропускают видимый свет. И т. д.

Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Фотоны разного "цвета" (частоты) несут разные порции энергии.

Фотоны могут поглощаться веществом, передавая ему энергию и нагревая (хорошо известно всем, кто загорал на пляже). Свет может отражаться от вещества, попадая после нам в глаза, поэтому мы видим вокруг себя предметы, а в полной темноте, где нет источников света, мы ничего не видим. И свет может проходить сквозь вещество - и тогда мы говорим, что это вещество прозрачно.

Разные материалы в разных пропорциях поглощают, отражают и пропускают свет и поэтому различаются по своим оптическим свойствам (более тёмные и светлые, разного цвета, блеска, прозрачности): сажа поглощает 95% падающего на неё света, а отполированное серебряное зеркало отражает 98% света. Создан материал на основе углеродных нанотрубок, который отражает лишь 45 тысячных процента падающего света.

Возникают вопросы: когда фотон поглощается веществом, когда отражается и когда проходит сквозь вещество? Нас сейчас интересует только третий вопрос, но попутно мы ответим на первый.

Взаимодействие света и вещества - это взаимодействие фотонов с электронами. Электрон может поглощать фотон и может испускать фотон. Нет никакого отражения фотонов. Отражением фотонов называют двухступенчатый процесс: поглощение фотона и последующее излучение точно такого же фотона.

Электроны в атоме способны занимать лишь определённые орбиты, каждой из которых соответствует свой энергетический уровень. Атом каждого химического элемента характеризуется своим набором энергетических уровней, т. е разрешённых орбит электронов (то же относится и к молекулам, кристаллам, конденсированному состоянию вещества: в саже и алмазе одни и те же атомы углерода, но оптические свойства веществ различны; металлы, прекрасно отражающие свет, являются прозрачными и даже меняют цвет (зелёное золото), если из них сделать тонкие плёнки; аморфное стекло не пропускает ультрафиолет, а из тех же самых молекул оксида кремния кристаллическое стекло прозрачно для ультрафиолета).

Поглотив фотон определённой энергии (цвета) электрон переходит на более высокую орбиту. Наоборот, испустив фотон, электрон переходит на более низкую орбиту. Электроны могут поглощать и испускать не любые фотоны, а только те, энергия которых (цвет) соответствуют разнице энергетичнских уровней именно данного атома.

Таким образом, как поведёт себя свет при встрече с веществом (отразится, поглотится, пройдёт насквозь) зависит от того, каковы разрешённые энергетические уровни данного вещества и какой энергией обладают фотоны (т. е. какого цвета падающий на вещество свет).

Чтобы фотон поглотился одним из электронов в атоме, он должен обладать строго определённой энергией, соответствующей разности энергий каких либо двух энергетиченских уровней атома, иначе он пролетит мимо. В стекле расстояние между отдельными энергетическими уровнями большое, и ни один фотон видимого света не имеет соответстсвующей энергии, которой хватило бы, чтобы электрон, поглотив фотон, смог перепрыгнуть на более высокий энергетический уровень. Поэтому стекло пропускает фотоны видимого света. А вот фотоны ультрафиолетового света имеют достаточную энергию, поэтому электроны поглощают данные фотоны и стекло задерживает ультрафиолет. В кварцевом стекле расстояние между разрешёнными энергетическими уровнями (энергетическая щель) ещё больше и поэтому фотоны не только видимого, но и ультрафиолетового света не обладают достаточной энергией для того, чтобы электроны могли их поглотить и перейти на верхние разрешённые уровни.

Итак, фотоны видимого света пролетают сквозь стекло, потому что они не обладают соответствующей энергией для перехода электронов на более высокий энергетический уровень , и стекло поэтому видится прозрачным.

Добавляя в стекло примеси, имеющие другой энергетический спектр, его можно сделать цветным - стекло будет поглощать фотоны определённых энергий и пропускать остальные фотоны видимого света.

Были времена, когда загорелая кожа считалась признаком низкого происхождения, и знатные дамы старались защитить лицо и руки от солнечных лучей, дабы сохранить аристократическую бледность. Позже отношение к загару изменилось - он стал непременным атрибутом здорового и успешного человека. Сегодня, несмотря на неутихающие споры относительно пользы и вреда инсоляции, бронзовый оттенок кожи по-прежнему находится на пике популярности. Вот только возможность посещать пляж или солярий есть не у всех, и в связи с этим многие интересуются, можно ли загореть через оконное стекло, расположившись, например, на прогретой солнцем застекленной лоджии или мансарде.

Наверное, каждый профессиональный водитель или просто человек, проводящий длительное время за рулем автомобиля, замечал, что кисти его рук и лицо со временем покрываются легким загаром. То же относится к офисным служащим, вынужденным сидеть всю рабочую смену у незанавешенного окна. На их лицах нередко можно обнаружить следы загара даже в зимний период. И если человек не является завсегдатаем соляриев и не совершает ежедневный променад по паркам, то иначе как загаром через стекло объяснить данное явление не получится. Так пропускает ли стекло ультрафиолет и можно ли загореть через окно? Давайте разбираться.

Природа загара

Для того чтобы ответить на вопрос, можно ли получить загар через обычное оконное стекло в машине или на лоджии, нужно разобраться в том, как именно происходит процесс потемнения кожных покровов и какие факторы оказывают на него влияние. В первую очередь следует отметить, что загар - это не что иное, как защитная реакция кожи на солнечное излучение. Под воздействием ультрафиолета клетки эпидермиса (меланоциты) начинают вырабатывать вещество меланин (темный пигмент), благодаря которому кожа и приобретает бронзовый оттенок. Чем выше концентрация меланина в верхних слоях дермы, тем интенсивнее получается загар. Однако такую реакцию вызывают не все УФ-лучи, а только лежащие в очень узком диапазоне длин волн. Ультрафиолетовые лучи условно подразделяются на три типа:

• А-лучи (длинноволновые) - практически не задерживаются атмосферой и беспрепятственно достигают земной поверхности. Такое излучение считается самым безопасным для человеческого организма, поскольку не активизирует синтез меланина. Все, на что оно способно, - это вызывать легкое потемнение кожных покровов, и то только при длительном воздействии. Однако при избыточной инсоляции длинноволновыми лучами происходит разрушение коллагеновых волокон и обезвоживание кожи, вследствие чего она начинает быстрее стареть. А у некоторых людей именно из-за А-лучей развивается аллергия на солнце. Длинноволновое излучение легко преодолевает толщу оконного стекла и приводит к постепенному выгоранию обоев, поверхности мебели и ковров, но полноценный загар с его помощью получить невозможно.
• В-лучи (средневолновые) - задерживаются в атмосфере и достигают поверхности Земли лишь частично. Данный тип излучения оказывает непосредственное влияние на синтез меланина в клетках кожи и способствует появлению быстрого загара. А при его интенсивном воздействии на коже возникают ожоги различной степени. Сквозь обычное оконное стекло В-лучи проникать не способны.
• С-лучи (коротковолновые) - представляют огромную опасность для всех живых организмов, но, к счастью, они практически полностью нейтрализуются атмосферой, не достигая поверхности Земли. Столкнуться с таким излучением можно только высоко в горах, однако и там его действие крайне ослаблено.

Физики выделяют еще один тип ультрафиолетового излучения - экстремальный, для которого часто используется термин «вакуумный» ввиду того, что волны данного диапазона полностью поглощаются атмосферой Земли и не попадают на земную поверхность.

Можно ли загореть через стекло?

Можно ли получить загар через оконное стекло или нет, напрямую зависит от того, какими свойствами оно обладает. Дело в том, что стекла бывают разных видов, на каждый из которых УФ-лучи воздействуют по-разному. Так, органическое стекло отличается высокой пропускной способностью, что позволяет обеспечить прохождение всего спектра солнечного излучения. То же самое касается и кварцевого стекла, которое используется в лампах для солярия и в устройствах для обеззараживания помещений. Обычное же стекло, применяемое в жилых помещениях и автомобилях, пропускает исключительно длинноволновые лучи типа А, и загореть через него нельзя. Другое дело, если заменить его оргстеклом. Тогда можно будет принимать солнечные ванны и наслаждаться красивым загаром практически круглый год.

Хотя иногда бывают случаи, когда человек проводит некоторое время под солнечными лучами, проходящими через окно, а потом обнаруживает на открытых участках кожи легкий загар. Разумеется, он находится в полной уверенности, что загорел именно путем инсоляции через стекло. Но это не совсем так. Существует весьма простое объяснение данному явлению: изменение оттенка в таком случае происходит в результате активизации небольшого количества остаточного, выработанного под воздействием ультрафиолета типа В пигмента (меланина), находящегося в клетках кожи. Как правило, такой «загар» носит временный характер, то есть быстро исчезает. Одним словом, для того чтобы приобрести полноценный загар, необходимо либо посещать солярий, либо регулярно принимать солнечные ванны, а добиться изменения естественного оттенка кожи в сторону более темного через обычное оконное или автомобильное стекло не получится.

Нужно ли защищаться?

Волноваться по поводу того, можно ли получить загар через стекло, надо только тем людям, которые имеют очень чувствительную кожу и предрасположенность к возникновению пигментных пятен. Им рекомендуется постоянно пользоваться специальными средствами с минимальной степенью защиты (SPF). Наносить такую косметику следует главным образом на лицо, шею и зону декольте. Однако слишком активно защищаться от ультрафиолета, тем более длинноволнового, все же не стоит, ведь солнечные лучи в умеренном количестве весьма полезны и даже необходимы для нормального функционирования человеческого организма.

Оптические свойства стекол связаны с характерными особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Именно оптические свойства определяют красоту и своеобразие декоративной обработки стеклоизделий.

Преломление и дисперсия характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его строения. Преломление света - это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.

На рис. 6 представлен путь луча при прохождении его через плоскопараллельную стеклянную пластину. Падающий луч образует углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то i - угол падения, r - угол преломления (на рисунке i>r, потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, в данном случае воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло).

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления - отношением скорости света в среде, из которой свет падает на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления определяется из соотношения n=sin i/sin r . Относительный показатель преломления не имеет размерности, и для прозрачных сред воздух - стекло всегда больше единицы. Например, относительные показатели преломления (по отношению к воздуху): воды- 1,33, хрустального стекла - 1,6, - 2,47.

Рис. 7. Призматический (дисперсионный) спектр а - разложение луча света призмой; б- диапазоны цветов видимей части

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны). Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны.

Вследствие дисперсии пучок света, проходящий сквозь призму из стекла, образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу - призматический (дисперсионный) спектр (рис. 7,а). В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. 7,6).

Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, а наименьшей частотой и наибольшей длиной волны - красные лучи, следовательно, фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные.

Показатель преломления и дисперсия зависят от состава стекла, а показатель преломления - и от плотности. Чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, Sb 2 O 3 , PbO, BaO, ZnO и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO 2 - снижает. Дисперсия возрастает при введении Sb 2 O 3 и PbO. СаО и ВаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на Дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий, сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30 % PbO, так как PbO значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света - явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему.

От поверхности стекла отражается около 4 % света. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей (алмазная резьба, гранение).

Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, если неровности больше длины волны - диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных тел.

Рассеяние света - явление, наблюдаемое при распространении световых волн в среде с беспорядочно распределенными неоднородностями и состоящее в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям.

В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в толще стекла равномерно распределены неоднородности (кристаллы, включения), то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния и поэтому такое стекло непрозрачно.

Пропускание и поглощение света объясняется следующим. При прохождении пучка света интенсивностью I 0 через прозрачную среду (вещество) интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий из среды пучок света будет иметь интенсивность 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.

Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла составляет примерно 93%. Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла (табл. 2), который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной.

Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в инфракрасной области - для технологических процессов варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), в ультрафиолетовой - для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные - задерживать).

Двойное лучепреломление - раздвоение луча света при прохождении через оптически анизотропную среду, т. е. среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча - обыкновенный и необыкновенный. Скорости распространения этих лучей различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода лучей, нм/см.

При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление, т. е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.

Выгляните в окно. Если носите очки, наденьте их. Возьмите бинокль и не забудьте про лупу. Что вы видите? На чтобы вы не смотрели, многочисленные слои стекла вашему зрению мешать не будут. Но как же так получается, что столь твердое вещество практически невидимо?

Чтобы разобраться в этом, надо знать структуру стекла и природу его происхождения.

Начинается все с земной коры, состоящей по большей части из кремния и кислорода. Эти элементы образуют в реакции диоксид кремния, молекулы которого выстраиваются в правильную кристаллическую решетку кварца. Кристаллическим кварцем в частности богат идущий на изготовление стекла песок. Вам наверняка известно, что стекло сплошное и вовсе не состоит из мелких кусочков кварца, и это неспроста.

Во-первых, грубые края песчинок и микродефекты в кристаллической структуре отражают и рассеивают падающий на них свет. Но если нагреть кварц до высоких температур, молекулы начнут колебаться сильнее, что приведет к разрыву связи между ними. А сам кристалл превратится в жидкость, также как превращается в воду лед. Правда, с единственным отличием: при остывании обратно в кристалл молекулы кварца уже не соберутся. Напротив, по мере того, как молекулы теряют энергию, вероятность упорядочения только падает. В итоге получается аморфное тело. Твердое вещество со свойствами жидкости, для которой характерно отсутствие межкристаллических границ. Благодаря этому, на микроскопическом уровне стекло приобретает однородность. Теперь свет проходит через материал почти беспрепятственно.

Но это не объясняет, почему стекло пропускает свет, а не поглощает его, как остальные твердые тела. Ответ кроется на самом малом масштабе, внутриатомном. Хотя многие в курсе, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг электронов, многим ли известно, что атом едва ли не идеальная пустота? Если бы атом был размером с футбольный стадион, то ядро размером с горошину в центре поля, а электроны были бы крошечными песчинками где-то на задних рядах. Таким образом, место для свободного прохождения света более, чем достаточно.

Вопрос не в том, почему стекло прозрачное, а в том, почему не прозрачны другие объекты. Все дело в энергетических уровнях, на которых находятся электроны в атоме. Можно представить их в виде различных рядов на нашем стадионе. У электрона есть определенное место на одном из рядов. Однако, если у него достаточно энергии, он может перепрыгнуть на другой ряд. В ряде случаев поглощение одного из проходящих через атом фотонов как раз и обеспечит необходимую энергию. Но тут загвоздка. Чтобы перебросить электрон с ряда на ряд, фотон должен обладать строго определенным количеством энергии, иначе он пролетит мимо. Так и происходит со стеклом. Ряды так далеко друг от друга, что энергии фотона видимого света просто недостаточно для перемещения электронов между ними.

А у фотонов ультрафиолетового спектра энергии хватает, поэтому они поглощаются, и тут уж как ни старайся, спрятавшись за стеклом, не загоришь. За столетие, прошедшее с получения стекла, люди сполна оценили его уникальное свойство быть одновременно и твердым, и прозрачным. От окон, впускающих дневной свет, и защищающих от стихии, до приборов, позволяющих заглядывать далеко в космос, или наблюдать микроскопические миры.

Лишите современную цивилизацию стекла, и что от нее останется? Как ни странно, мы редко задумываемся о том, насколько оно важно. Наверное, так происходит потому что, будучи прозрачным, стекло остается незаметным, и мы забываем о том, что оно есть.

Ключевые слова: структура стекла,происхождение стекла,Наука на портале Эксперимент,научные статьи

07.02.2017 15:49 850

Почему стекло прозрачное.

Стекло, это очень важный материал, который человек использует в разных сферах жизни. Из него делают окна, посуду, зеркала, линзы для очков и т.д...

Вот представьте себе: возвращаетесь вы из школы и обнаруживаете, что в окнах вашей квартиры нет стёкол. Исчезла также из дома и вся стеклянная посуда. Вы хотите посмотреть на своё удивлённое лицо в зеркало, но и его не оказалось на месте... Да и многих других полезных вещей у нас бы сейчас не было, если бы в своё время не появилось стекло.

В нашей статье, мы расскажем вам историю стекла, как оно вошло в нашу жизнь и почему оно такое прозрачное. Кто же изобрел этот полезный, хрупкий материал? Как ни странно - никто. Дело в том, что стекло было создано самой природой.

Когда-то давным-давно, еще за много миллионов лет до появления на земле первого человека, стекло уже существовало. А образовалось оно из сначала раскалённой, а затем остывшей лавы, вырвавшейся на поверхность из вулканов. Это природное стекло называется сейчас обсидианом.

Однако остеклять, например, окна, им было нельзя. И не только потому, что окон тогда ещё не было, но и потому, что природное стекло имеет грязно-серый цвет, и через него абсолютно ничего не видно.

Так как же появилось стекло, пригодное для употребления,то есть прозрачное? Может быть люди научились его отмывать? Увы, природное стекло грязное не снаружи, а изнутри, поэтому здесь не помогут никакие даже самые современные моющие средства...

О том, как люди впервые сделали стекло, приближённое к современному, существует несколько легенд. Все они очень однообразны и их смысл сводится к тому, что путешественники, не имея под рукой камней для очага, использовали вместо них куски природной соды.

Причем, происходило это в пустыне или на берегу водоёма, там, где обязательно был песок. И вот под воздействием огня сода и песок плавились и соединялись вместе, образуя стекло. Люди долгое время верили в эти легенды. Но совсем недавно выяснилось, что всё это неправда, потому что жара исходящего от костра, для такого сплава недостаточно.

Производить стекло своими руками люди начали более 5-ти тысяч лет назад, было это в Египте. Правда, и тогда оно прозрачным не было, а из-за того, что в песке попадались посторонние примеси, имело зелёный или синий оттенок. Но постепенно на Востоке научились избавляться от этих примесей. Судя по раскопкам, первыми стеклянными изделиями были бусы.

Чуть позже стеклом стали покрывать посуду. А на то, чтобы научиться делать её полностью из стекла, чекловеку потребовалось ещё 2 тысячи лет. Секрет производства стекла был в те времена настолько ценен, что правительство Венеции в начале ХIII века для его выяснения направило на восток специальных людей.В результате, венецианцы этот секрет раздобыли.

Они наладили собственное производство и смогли сделать стекло ещё более прозрачным, догадавшись добавлять в его состав немного свинца. Сначала стекло изготавливалось в самой Венеции. Местные власти очень боялись, что кто-то узнает секрет производства, поэтому район, где эти мастерские располагались, был всегда оцеплён солдатами.

Никто из рабочих занятых производством стекла не имел права покинуть пределы города. За любую попытку это сделать к смертной казни приговаривался не только сам стеклодел, но и вся его семья. В конце концов было решено перенести мастерские на остров Мурано. Оттуда и сбежать было труднее, и попасть туда было тоже сложно.

В 1271 году венецианские шлифовщики научились делать из стекла линзы, которые сначала особым спросом не пользовались. Но в 1281 году догадались вставлять их в специально разработанные оправы.Так появились первые очки. Они стоили сначала настолько дорого, что являлись прекрасным подарком даже для королей и императоров.

В конце 15 века, когда в Венеции научились делать из стекла посуду, муранские (названные так в честь острова где их производили) изделия стали пользоваться во всём мире такой популярностью, что для их доставки пришлось строить дополнительные корабли.

Но усовершенствование стекла продолжалось и позже. Пришло время, и люди придумали покрывать его специальным составом – амальгамой, так появились зеркала.

В России производство стекла началось тысячу лет назад, в небольших мастерских. А в 1634 году под Москвой был построен первый стекольный завод.