27 февраля 2017 в 19:09 Наука 142

Почему стекло прозрачное

Почему стекло прощзрачное

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.

md-eksperiment.org



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