Чому скло пропускає світло? Чому скло прозоре на пальцях™

Будучи дитиною, я одного разу спитав батька: "Чому скло пропускає світло?" На той час я дізнався, що світло - це потік частинок, які називаються фотонами, і мені здавалося дивним, як така маленька частка може пролітати крізь товсте скло. Батько відповів: "Бо воно прозоре". Я промовчав, тому що розумів, що "прозоре" є лише синонім виразу "пропускає світло", а батько насправді не знає відповіді. У шкільних підручниках відповіді теж не було, а хотілося б знати. Чому ж скло пропускає світло?

Відповідь

Світлом фізики називають не тільки видиме світло, а й невидиме інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське проміння, гамма-випромінювання, радіохвилі. Матеріали, прозорі для однієї частини спектру (наприклад, для зеленого світла), можуть бути непрозорими для інших частин спектру (червоне скло, наприклад, не пропускає зелених променів). Звичайне скло не пропускає ультрафіолетове випромінювання, а кварцове скло прозоре для ультрафіолету. Для рентгенівських променів прозорими є матеріали, які зовсім не пропускають видиме світло. І т.д.

Світло складається з частинок, які називаються фотонами. Фотони різного кольору (частоти) несуть різні порції енергії.

Фотони можуть поглинатися речовиною, передаючи їй енергію та нагріваючи (добре відомо всім, хто засмагав на пляжі). Світло може відбиватися від речовини, потрапляючи після нас у вічі, тому ми бачимо навколо себе предмети, а повній темряві, де немає джерел світла, ми нічого не бачимо. І світло може проходити крізь речовину – і тоді ми говоримо, що ця речовина є прозорою.

Різні матеріали в різних пропорціях поглинають, відображають і пропускають світло і тому розрізняються за своїми оптичними властивостями (темніші і світліші, різного кольору, блиску, прозорості): сажа поглинає 95% падаючого на неї світла, а відполіроване срібне дзеркало відображає 98% світла. Створено матеріал на основі вуглецевих нанотрубок, який відображає лише 45 тисячних відсотків падаючого світла.

Постають питання: коли фотон поглинається речовиною, коли відбивається і коли проходить крізь речовину? Нас зараз цікавить лише третє питання, але принагідно ми відповімо на перше.

Взаємодія світла та речовини – це взаємодія фотонів з електронами. Електрон може поглинати фотон і може випромінювати фотон. Немає жодного відображення фотонів. Відображенням фотонів називають двоступінчастий процес: поглинання фотона і подальше випромінювання такого самого фотона.

p align="justify"> Електрони в атомі здатні займати лише певні орбіти, кожній з яких відповідає свій енергетичний рівень. Атом кожного хімічного елемента характеризується своїм набором енергетичних рівнів, тобто дозволених орбіт електронів (те ж відноситься і до молекул, кристалів, конденсованого стану речовини: в сажі та алмазі одні і ті ж атоми вуглецю, але оптичні властивості речовин різні; метали, чудово що відображають світло, є прозорими і навіть змінюють колір (зелене золото), якщо з них зробити тонкі плівки, аморфне скло не пропускає ультрафіолет, а з тих же молекул оксиду кремнію кристалічне скло прозоро для ультрафіолету).

Поглинувши фотон певної енергії (колір) електрон переходить більш високу орбіту. Навпаки, випустивши фотон, електрон переходить на нижчу орбіту. Електрони можуть поглинати та випускати не будь-які фотони, а тільки ті, енергія яких (колір) відповідають різниці енергетичних рівнів саме даного атома.

Таким чином, як поведеться світло при зустрічі з речовиною (відобразиться, поглинеться, пройде наскрізь) залежить від того, які дозволені енергетичні рівні даної речовини і яку енергію мають фотони (тобто якого кольору світло, що падає на речовину).

Щоб фотон поглинувся одним з електронів в атомі, він повинен мати строго певну енергію, що відповідає різниці енергій будь-яких двох енергетичних рівнів атома, інакше він пролетить повз. У склі відстань між окремими енергетичними рівнями велика, і жоден фотон видимого світла немає відповідної енергії, якої вистачило б, щоб електрон, поглинувши фотон, зміг перестрибнути більш високий енергетичний рівень. Тому скло пропускає фотони видимого світла. А ось фотони ультрафіолетового світла мають достатню енергію, тому електрони поглинають фотони і скло затримує ультрафіолет. У кварцовому склі відстань між дозволеними енергетичними рівнями (енергетична щілина) ще більша і тому фотони не тільки видимого, але й ультрафіолетового світла не мають достатньої енергії для того, щоб електрони могли їх поглинути і перейти на верхні дозволені рівні.

Отже, фотони видимого світла пролітають крізь скло, тому що вони не мають відповідної енергії для переходу електронів на більш високий енергетичний рівень, і тому скло бачиться прозорим.

Додаючи в скло домішки, що мають інший енергетичний спектр, його можна зробити кольоровим - скло поглинатиме фотони певних енергій і пропускатиме інші фотони видимого світла.

Були часи, коли засмагла шкіра вважалася ознакою низького походження, і почесні жінки намагалися захистити обличчя і руки від сонячних променів, щоб зберегти аристократичну блідість. Пізніше ставлення до засмаги змінилося - він став неодмінним атрибутом здорової та успішної людини. Сьогодні, незважаючи на суперечки щодо користі та шкоди інсоляції, бронзовий відтінок шкіри, як і раніше, знаходиться на піку популярності. Ось тільки можливість відвідувати пляж або солярій є не у всіх, і у зв'язку з цим багато хто цікавиться, чи можна засмагнути через шибку, розташувавшись, наприклад, на прогрітій сонцем заскленій лоджії або мансарді.

Напевно, кожен професійний водій або просто людина, яка проводить тривалий час за кермом автомобіля, помічала, що кисті його рук та обличчя з часом покриваються легкою засмагою. Те саме стосується офісних службовців, змушених сидіти всю робочу зміну біля незанавішеного вікна. На обличчях нерідко можна знайти сліди засмаги навіть у зимовий період. І якщо людина не є завсідником соляріїв і не здійснює щоденний променад по парках, то інакше як засмагою через скло пояснити це явище не вийде. Тож чи пропускає скло ультрафіолет і чи можна засмагнути через вікно? Давайте розумітися.

Природа засмаги

Для того щоб відповісти на запитання, чи можна отримати засмагу через звичайне шибку в машині або на лоджії, потрібно розібратися в тому, як саме відбувається процес потемніння шкірних покривів і які фактори впливають на нього. Насамперед слід зазначити, що засмага - це не що інше, як захисна реакція шкіри на сонячне випромінювання. Під впливом ультрафіолету клітини епідермісу (меланоцити) починають виробляти речовину меланін (темний пігмент), завдяки якому шкіра і набуває бронзового відтінку. Чим вище концентрація меланіну у верхніх шарах дерми, тим інтенсивніше виходить засмага. Однак таку реакцію викликають не всі УФ-промені, а тільки довжини хвиль, що лежать у дуже вузькому діапазоні. Ультрафіолетові промені умовно поділяються на три типи:

• А-промені (довгохвильові)- практично не затримуються атмосферою та безперешкодно досягають земної поверхні. Таке випромінювання вважається безпечним для людського організму, оскільки не активізує синтез меланіну. Все, на що воно здатне, - це викликати легке потемніння шкірних покривів, і то лише за тривалого впливу. Однак при надмірній інсоляції довгохвильовими променями відбувається руйнування колагенових волокон та зневоднення шкіри, внаслідок чого вона починає швидше старіти. А в деяких людей саме через А-промені розвивається алергія на сонці. Довгохвильове випромінювання легко долає товщу шибки і призводить до поступового вигоряння шпалер, поверхні меблів і килимів, але повноцінну засмагу з її допомогою отримати неможливо.
• В-промені (середньохвильові)- Затримуються в атмосфері і досягають поверхні Землі лише частково. Даний тип випромінювання безпосередньо впливає на синтез меланіну в клітинах шкіри і сприяє появі швидкої засмаги. А за його інтенсивному впливі на шкірі виникають опіки різного ступеня. Крізь звичайне скло В-промені проникати не здатні.
• С-промені (короткохвильові)- становлять величезну небезпеку всім живих організмів, але, на щастя, вони майже повністю нейтралізуються атмосферою, не досягаючи поверхні Землі. Зіткнутися з таким випромінюванням можна лише високо в горах, проте і там його дія вкрай ослаблена.

Фізики виділяють ще один тип ультрафіолетового випромінювання - екстремальний, для якого часто використовується термін "вакуумний" через те, що хвилі даного діапазону повністю поглинаються атмосферою Землі і не потрапляють на земну поверхню.

Чи можна засмагнути через скло?

Чи можна отримати засмагу через шибку чи ні, безпосередньо залежить від того, якими властивостями вона володіє. Справа в тому, що скла бувають різних видів, на кожен з яких УФ-промені впливають по-різному. Так, органічне скло відрізняється високою пропускною здатністю, що дозволяє забезпечити проходження всього спектра сонячного випромінювання. Те саме стосується і кварцового скла, яке використовується в лампах для солярію та в пристроях для знезараження приміщень. Звичайне скло, що застосовується в житлових приміщеннях і автомобілях, пропускає виключно довгохвильові промені типу А, і засмагнути через нього не можна. Інша річ, якщо замінити його оргсклом. Тоді можна буде приймати сонячні ванни і насолоджуватися гарною засмагою практично цілий рік.

Хоча іноді бувають випадки, коли людина проводить деякий час під сонячним промінням, що проходить через вікно, а потім виявляє на відкритих ділянках шкіри легку засмагу. Зрозуміло, він у повній впевненості, що засмаг саме шляхом інсоляції через скло. Але це зовсім так. Існує дуже просте пояснення даному явищу: зміна відтінку в такому випадку відбувається в результаті активізації невеликої кількості залишкового, виробленого під впливом ультрафіолету типу пігменту (меланіну), що знаходиться в клітинах шкіри. Як правило, така засмага носить тимчасовий характер, тобто швидко зникає. Одним словом, для того щоб придбати повноцінну засмагу, необхідно або відвідувати солярій, або регулярно приймати сонячні ванни, а домогтися зміни природного відтінку шкіри у бік темнішого через звичайне віконне або автомобільне скло не вийде.

Чи потрібно захищатись?

Хвилюватися з приводу того, чи можна отримати засмагу через скло, треба лише тим людям, які мають дуже чутливу шкіру та схильність до виникнення пігментних плям. Їм рекомендується постійно користуватися спеціальними засобами з мінімальним ступенем захисту (SPF). Наносити таку косметику слід головним чином на обличчя, шию та зону декольте. Проте занадто активно захищатися від ультрафіолету, тим більше довгохвильового, все ж таки не варто, адже сонячні промені в помірній кількості дуже корисні і навіть необхідні для нормального функціонування людського організму.

Оптичні властивості стекол пов'язані з характерними рисами взаємодії світлових променів зі склом. Саме оптичні властивості визначають красу та своєрідність декоративної обробки скловиробів.

Заломлення та дисперсіяхарактеризують закономірності поширення світла у речовині залежно з його будови. Заломлення світла - це зміна напряму поширення світла при його переході з одного середовища в інше, що відрізняється від першої значення швидкості поширення.

На рис. 6 представлений шлях променя при проходженні через плоскопаралельну скляну пластину. Падаючий промінь утворює кути з нормаллю поверхні розділу середовищ у точці падіння. Якщо промінь йде з повітря в скло, то i - кут падіння, r - кут заломлення (на малюнку i>r, тому що в повітрі швидкість поширення світлових хвиль більша, ніж у склі, в даному випадку повітря є середовищем оптично менш щільним, ніж Скло).

Заломлення світла характеризується відносним показником заломлення - ставленням швидкості світла у середовищі, з якої світло падає на межу розділу, до швидкості світла у другому середовищі. Показник заломлення визначається співвідношення n=sin i/sin r . Відносний показник заломлення не має розмірності, і для прозорих середовищ повітря – скло завжди більше одиниці. Наприклад, відносні показники заломлення (щодо повітря): води- 1,33, кришталевого скла - 1,6, - 2,47.

Мал. 7. Призматичний (дисперсійний) спектр а – розкладання променя світла призмою; б-діапазони кольорів видимої частини

Дисперсія світла– це залежність показника заломлення від частоти світла (довжини хвилі). Для нормальної дисперсії характерно зростання показника заломлення зі збільшенням частоти чи зменшенням довжини хвилі.

Внаслідок дисперсії пучок світла, що проходить крізь призму зі скла, утворює на екрані, встановленому за призмою, райдужну смугу – призматичний (дисперсійний) спектр (рис. 7, а). У спектрі кольору розташовані у певній послідовності, починаючи від фіолетового та закінчуючи червоним (рис. 7,6).

Причиною розкладання світла (дисперсії) є залежність показника заломлення від частоти світла (довжини хвилі): що вища частота світла (коротше довжина хвилі), то вище показник заломлення. У призматичному спектрі найбільшу частоту і найменшу довжину хвилі мають фіолетові промені, а найменшу частоту і найбільшу довжину хвилі - червоні промені, отже, фіолетові промені переломлюються більше, ніж червоні.

Показник заломлення та дисперсія залежать від складу скла, а показник заломлення – і від густини. Чим вища щільність, тим вищий показник заломлення. Оксиди CaO, Sb 2 O 3 , PbO, BaO, ZnO та лужні підвищують показник заломлення, добавка SiO 2 - знижує. Дисперсія зростає при введенні Sb 2 O 3 та PbO. СаО та ВаО сильніше впливають на показник заломлення, ніж на дисперсію. Для виробництва високохудожніх виробів, сортового посуду, що піддаються шліфування, використовують в основному скла, що містять до 30% PbO, оскільки PbO значно збільшує показник заломлення та дисперсію.

Відображення світла- явище, що спостерігається при падінні світла на поверхню розділу двох оптично різнорідних середовищ і що складається в утворенні відбитої хвилі, що поширюється від поверхні розділу в ту ж середу, з якої приходить хвиля, що падає. Відображення характеризується коефіцієнтом відбиття, що дорівнює відношенню відбитого світлового потоку до падаючого.

Від поверхні скла відбивається близько 4% світла. Ефект відбиття посилюється за наявності численних полірованих поверхонь (алмазне різьблення, гранення).

Якщо нерівності поверхні розділу малі порівняно з довжиною хвилі падаючого світла, то відбувається дзеркальне відображення, якщо нерівності більше за довжину хвилі - дифузне відображення, при якому світло розсіюється поверхнею по всіляких напрямках. Відображення називається селективним, якщо коефіцієнт відображення неоднаковий для світла з різною довжиною хвилі. Селективним відображенням пояснюється фарбування непрозорих тіл.

Розсіювання світла- явище, що спостерігається під час поширення світлових хвиль у середовищі з безладно розподіленими неоднорідностями і що полягає у освіті вторинних хвиль, які поширюються у різних напрямах.

У звичайному прозорому склі розсіювання світла практично не відбувається. Якщо поверхня скла нерівна (матове скло) або в товщі скла рівномірно розподілені неоднорідності (кристали, включення), світлові хвилі не можуть пройти через скло без розсіювання і тому таке скло непрозоре.

Пропускання та поглинання світлапояснюється так. При проходженні пучка світла інтенсивністю I 0 через прозоре середовище (речовина) інтенсивність початкового потоку послаблюється і пучок світла, що виходить з середовища, матиме інтенсивність 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.

Поглинання знижує загальну світлопрозорість скла, яка для безбарвного натрій-кальцій-силікатного скла становить приблизно 93%. Поглинання світла по-різному для різних довжин хвиль, тому пофарбовані стекла мають різний колір. Колір скла (табл. 2), який сприймається оком, обумовлений кольором тієї частини падаючого пучка світла, яка пройшла через непоглинену скло.

Показники пропускання (поглинання) у видимій області спектру важливі для оцінки кольору сортового, сигнального та інших забарвлених стекол, в інфрачервоній області - для технологічних процесів варіння скла та формування виробів (теплопрозорість скла), в ультрафіолетовій - для експлуатаційних властивостей стекол (вироби з увіолевого скла) повинні пропускати ультрафіолетові промені, а тарні – затримувати).

Подвійне променезаломлення- роздвоєння променя світла під час проходження через оптично анізотропне середовище, т. е. середовище з різними властивостями в різних напрямах (наприклад, більшість кристалів). Це відбувається тому, що показник заломлення залежить від напрямку електричного вектора світлової хвилі. Промінь світла, що входить у кристал, розкладається на два промені - звичайний і незвичайний. Швидкість поширення цих променів різні. Подвійне променезаломлення вимірюється різницею ходу променів, нм/див.

При нерівномірному охолодженні або нагріванні скла в ньому виникають внутрішні напруги, що викликають подвійне променезаломлення, тобто скло уподібнюється двозаломлюючому кристалу, наприклад кварцу, слюди, гіпсу. Це використовується для контролю якості термічної обробки скла, головним чином відпалу і загартування.

Вигляньте у вікно. Якщо носите окуляри, надягніть їх. Візьміть бінокль і не забудьте про лупу. Що ви бачите? На щоб ви не дивилися, численні шари скла вашому зору не будуть заважати. Але як же так виходить, що така тверда речовина практично невидима?

Щоб розібратися в цьому, треба знати структуру скла та природу її походження.

Починається все з земної кори, що складається здебільшого з кремнію та кисню. Ці елементи утворюють реакції діоксид кремнію, молекули якого вишиковуються в правильну кристалічну решітку кварцу. Кристалічним кварцом зокрема багатий пісок, що йде на виготовлення скла. Вам, напевно, відомо, що скло суцільне і зовсім не складається з дрібних шматочків кварцу, і це недарма.

По-перше, грубі краї піщин і мікродефекти в кристалічній структурі відображають і розсіюють світло, що падає на них. Але якщо нагріти кварц до високих температур, молекули почнуть сильніше коливатися, що призведе до розриву зв'язку між ними. А сам кристал перетвориться на рідину, також як перетворюється на воду лід. Щоправда, з єдиною відмінністю: при остиганні назад у кристал молекули кварцу вже не зберуться. Навпаки, у міру того, як молекули втрачають енергію, ймовірність упорядкування лише падає. У результаті виходить аморфне тіло. Тверда речовина із властивостями рідини, для якої характерна відсутність міжкристалічних меж. Завдяки цьому, на мікроскопічному рівні скло набуває однорідності. Тепер світло проходить через матеріал майже безперешкодно.

Але це пояснює, чому скло пропускає світло, а чи не поглинає його, як інші тверді тіла. Відповідь криється на найменшому масштабі, внутрішньоатомному. Хоча багато хто в курсі, що атом складається з ядра і електронів, що обертаються навколо, чи багатьом відомо, що атом чи не ідеальна порожнеча? Якби атом був розміром із футбольний стадіон, то ядро ​​розміром із горошину в центрі поля, а електрони були б крихітними піщинками десь на задніх рядах. Таким чином, місце для вільного проходження світла більш ніж достатньо.

Питання не в тому, чому скло прозоре, а в тому, чому не є прозорими інші об'єкти. Вся справа в енергетичних рівнях, де знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх у вигляді різних рядів на нашому стадіоні. Електрон має певне місце на одному з рядів. Однак, якщо в нього достатньо енергії, він може перестрибнути в інший ряд. У ряді випадків поглинання одного з фотонів, що проходять через атом, якраз і забезпечить необхідну енергію. Але тут проблема. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон повинен мати строго певну кількість енергії, інакше він пролетить повз. Так і відбувається зі склом. Ряди так далеко один від одного, що енергії фотона видимого світла недостатньо для переміщення електронів між ними.

А у фотонів ультрафіолетового спектру енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут уже не намагайся, сховавшись за склом, не загориш. За століття, що минуло з отримання скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно і твердим, і прозорим. Від вікон, що впускають денне світло, і захищають від стихії до приладів, що дозволяють заглядати далеко в космос, або спостерігати мікроскопічні світи.

Позбавите сучасну цивілізацію скла і що від неї залишиться? Як не дивно, ми рідко замислюємося про те, наскільки воно важливе. Напевно, так відбувається тому, що будучи прозорим, скло залишається непомітним, і ми забуваємо про те, що воно є.

Ключові слова:структура скла,походження скла,Наука на порталі Експеримент,наукові статті

07.02.2017 15:49 850

Чому скло прозоре?

Скло це дуже важливий матеріал, який людина використовує в різних сферах життя. З нього роблять вікна, посуд, дзеркала, лінзи для окулярів і т.д.

Ось уявіть собі: ви повертаєтеся зі школи і виявляєте, що у вікнах вашої квартири немає стекол. Зник також з будинку і весь скляний посуд. Ви хочете подивитися на своє здивоване обличчя в дзеркало, але й його не виявилося на місці... Та й багатьох інших корисних речей у нас зараз не було б, якби свого часу не з'явилося скло.

У нашій статті ми розповімо вам історію скла, як воно увійшло в наше життя і чому воно таке прозоре. Хто ж винайшов цей корисний, тендітний матеріал? Як не дивно – ніхто. Справа в тому, що скло було створене самою природою.

Колись давно, ще за багато мільйонів років до появи на землі першої людини, скло вже існувало. А утворилося воно з спочатку розжареної, а потім охолола лави, що вирвалася на поверхню з вулканів. Це природне скло називається зараз обсидіаном.

Однак засклювати, наприклад, вікна, їм не можна було. І не тільки тому, що вікон тоді ще не було, а й тому, що природне скло має брудно-сірий колір, і через нього нічого не видно.

То як же з'явилося скло, придатне для вживання, тобто прозоре? Можливо, люди навчилися його відмивати? На жаль, природне скло брудне не зовні, а зсередини, тому тут не допоможуть жодні навіть найсучасніші миючі засоби.

Про те, як люди вперше зробили скло, наближене до сучасного, є кілька легенд. Всі вони дуже одноманітні і їхній зміст зводиться до того, що мандрівники, не маючи під рукою каміння для вогнища, використовували замість них шматки природної соди.

Причому відбувалося це в пустелі або на березі водойми, там, де обов'язково був пісок. І ось під впливом вогню сода та пісок плавились і з'єднувалися разом, утворюючи скло. Люди довгий час вірили у ці легенди. Але зовсім недавно з'ясувалося, що все це неправда, тому що спека, що походить від багаття, для такого сплаву недостатньо.

Виробляти скло своїми руками люди почали понад 5 тисяч років тому, це було в Єгипті. Щоправда, і тоді воно прозорим не було, а через те, що у піску траплялися сторонні домішки, мало зелений чи синій відтінок. Але поступово на Сході навчилися позбавлятися цих домішок. Судячи з розкопок, першими скляними виробами були намисто.

Трохи згодом склом стали покривати посуд. А на те, щоб навчитися робити її повністю зі скла, людині знадобилося ще 2 тисячі років. Секрет виробництва скла був у ті часи настільки цінний, що уряд Венеції на початку ХIII століття для його з'ясування направив на схід спеціальних людей. В результаті венеціанці цей секрет роздобули.

Вони налагодили власне виробництво і змогли зробити скло ще прозорішим, здогадавшись додавати до його складу трохи свинцю. Спочатку скло виготовлялося у самій Венеції. Місцева влада дуже боялася, що хтось дізнається про секрет виробництва, тому район, де ці майстерні розташовувалися, був завжди оточений солдатами.

Ніхто з робітників зайнятих виробництвом скла у відсутності права залишити межі міста. За будь-яку спробу це зробити до страти засуджувався не лише сам склороб, а й вся його родина. Зрештою було вирішено перенести майстерні на острів Мурано. Звідти і втекти було важче, і потрапити туди теж було складно.

У 1271 році венеціанські шліфувальники навчилися робити зі скла лінзи, які спочатку особливим попитом не мали. Але в 1281 році здогадалися вставляти їх у спеціально розроблені оправи. Так з'явилися перші окуляри. Вони коштували спочатку настільки дорого, що були чудовим подарунком навіть для королів та імператорів.

Наприкінці 15 століття, коли у Венеції навчилися робити зі скла посуд, муранські (названі так на честь острова, де їх виробляли) вироби стали користуватися в усьому світі такою популярністю, що для їх доставки довелося будувати додаткові кораблі.

Але вдосконалення скла продовжувалося і пізніше. Настав час, і люди придумали покривати його спеціальним складом - амальгамою, так з'явилися дзеркала.

У Росії виробництво скла почалося тисячу років тому, у невеликих майстернях. А в 1634 році під Москвою було збудовано перший скляний завод.