Наши группы:

Почему стекло прозрачное

Если словосочетания «квантовая механика», «электронная оболочка», «уравнения Максвелла» вас не пугают, то вы наверняка и сами сумеете ответить на вопрос о прозрачности стекла. Но статью мы ориентируем всё же на тех, кто только начинает познавать основы физики и строения материалов.

Прозрачное стекло
Прозрачное стекло

Чтобы не вдаваться в достаточно сложные рассуждения и не приводить пугающего вида системы уравнений, выведенных величайшим физиком XIX века, стоит вернуться к теории света (по ссылке наш ролик на ютубе об основах физической оптике). Также нам придется упомянуть теорию строения веществ. Именно на основании Максвелловых основополагающих теорий и будут строиться объяснения, в итоге которых и будет дан предельно краткий ответ на вопрос о причине, по которой мы можем видеть сквозь стекло любой толщины.

Об атомной теории строения веществ – без формул и загадок

Разговор о прозрачности стекла придётся начать издалека. С какими телами мы имеем дело в повседневной жизни? Правильно – с твердыми, жидкими, газообразными. Точнее, с физическими телами, которые находятся в одном из агрегатных состояний – при постоянных давлении и температуре агрегатное состояние тела сохраняется стабильным.

Есть еще тела мягкие (аморфные) – их физическое состояние характеризуется как промежуточное между твердым телом и жидкостью. Отличная по своим показателям текучесть, к примеру, присущая жидкостям, наблюдается в таких твердых телах, как лед или сапожный вар. Кроме того, еще причисляют к агрегатным состояниям плазму.

Огонь, вода… и бетонные стены

Вернемся к теории строения. Все тела состоят из различных веществ; каждое вещество имеет сложную молекулярную структуру. Молекулы, слагающие физические тела, могут иметь строгий порядок расположения – в таком случае мы наблюдаем твердое тело. Если закономерность в расположения молекул отсутствует, мы говорим о жидкости, паре или газе.

Итак: твердое тело отличается правильной «упаковкой» молекул. Просветы между молекулами газообразного или жидкого тела намного больше. В силу этого фотонам, из которых (согласно с корпускулярной теорией света) состоит пучок света, проще пройти через газ или жидкость. Структура твердого тела «воспринимается» фотонами как кирпичная стена.

Строение твердого тела
Структура твёрдого тела

Частицам света удается проникнуть лишь сквозь редкие атомы жидкости, газа, пара. Это и будет прозрачность. Именно поэтому эти тела оптически прозрачные.

Строение газа и жидкости
Структура газа и жидкости

В твёрдых же телах фотоны сталкиваются с плотно выстроенными атомами твердых тел, не в состоянии разминуться с ними или же «выбить» часть электронов, нарушить ионную связь и выйти наружу. Получаем непрозрачность.

Непрозрачное твердое тело

Световая энергия в последнем случае преобразуется в тепловую, и поток фотонов попросту нагревает твердый объект, не в состоянии проникнуть за его пределы.

Свет проходит через предмет
Прохождение света через вещество

Разумеется, мы говорим сейчас о свете видимой для человека частоты. Вот тут мы уже подошли ко второй части теории света – волновой.

Курс физики, корпускулярно-волновая теория – все вспомнили? Свет – не только поток частиц, но еще и волна с определенной частотой. В случае с газами мы имеем дело с веществами, в которых расстояния между атомами превышает длину волны видимого диапазона. В итоге свету в буквальном смысле есть где пройти.

О леденцах и стеклах – на уровне атомов

Исключением из этого правила остаются кристаллы – твердые физические тела, сохраняющие прозрачность.

Причина этого – в строгой системе кристаллической решетки, которую невозможно нарушить, не уничтожив при этом кристалл. Таким же свойством – прозрачностью – обладают и некоторые твердые объекты, которые подвергались специфическому воздействию. К примеру – были нагреты и потом быстро охлаждены. В таких телах световой луч свободно путешествует между частичками и не испытывает ощутимых преград.

Что напоминает процесс доведения до высокой температуры с последующим резким охлаждением? Все, кто делал домашние леденцы, узнали последовательность действий. Леденец прозрачен и не препятствует прохождению света, именно в силу расположения атомов в порядке, характерном для жидкостей.

Свет проходит через стекло с водой
Прохождение света через оптически прозрачный предмет с водой. Логика всегда одна.

Стекло — также твердый физически аморфный объект, прозрачность которого обусловлена на атомном уровне. Помимо физической структуры, роль играет химическое соединение элементов в составе стекла. Для изготовления стекла необходима нагретая смесь песка SiO2, извести CaO, соды Na2CO3. Мы видим только легкие элементы в составе песка – легкие с точки зрения расположения в таблице Менделеева.

Химия подарила нам знания, что для ионной связи легких элементов характерна полностью заполненная электронная оболочка. Если фотон способен поглотиться ионами вещества, он попросту отдаст энергию иону – тело из такого вещества будет непрозрачным. Фотоны не обладают достаточным запасом энергии, чтобы разрушить ионные связи в плотной оболочке легких элементов (или их соединений).

Стекло прозрачно – причину этого мы объяснили, оперируя понятиями курса физики и химии средней школы. Сказывается специфическое строение стекла, которое в буквальном смысле пропускает через себя поток световой энергии без нагрева и без поглощения.


Поделиться:

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code