Чому скло прозоре?
Погляньте у вікно. Якщо носите окуляри, одягніть їх. Візьміть бінокль та не забудьте про збільшувальне скло. Що ви бачите? На що б не глянули - чисельні шари скла вашому зору не заважатимуть. Але ж як виходить, така тверда речовина - і практично невидима?
Щоб розібратись у цьому, потрібно знати структуру скла та природу його походження.
Все починається із земної кори, яка складається у більшій частині з кремнію та кисню. Ці елементи формують в реакції діоксид кремнію, молекули якого вишиковуються у правильну кристалічну решітку кварцу. Кристалічним кварцом, зокрема багатий пісок, з якого виготовляють скло. Вам, напевно, відомо, що скло суцільне і зовсім не складається з дрібних шматочків кварцу, і це неспроста.
По-перше, грубі краї піщинок та мікродефекти у кристалічній структурі відображають та розсіюють падаюче світло. Але якщо нагріти кварц до високих температур, молекули починають коливатись сильніше, що приведе до розриву зв'язку між ними. А сам кристал перетворюється у рідину, так як і лід перетворюється у воду, правда, з єдиною відмінністю: при вистиганні назад у кристал, молекули кварцу вже не зберуться разом. Натомість, по мірі того, як молекули втрачають енергію, вірогідність упорядкування тільки падає. У висновку виходить аморфне тіло. Тверда речовина з властивостями рідини, для якої характерна відсутність міжкристалічних границь. Завдяки цьому, на мікроскопічному рівні скло набуває однорідності. Тепер світло проходить через матеріал майже безперешкодно.
Але це не пояснює те, чому скло пропускає світло, а не поглинає його, як всі інші тверді тіла. Відповідь ховається у найменшому масштабі - внурішньоатомному. І хоча, багато хто в курсі, що атом складається з ядра та обертаючих навколо електронів, чи багатьом відомо, що атом ледь не ідеальна порожнеча? Якби атом був розміром з футбольний стадіон, то ядро - розміром з горошину у центрі поля, а електрони були би дрібними 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 прозорі інші об'єкти. Вся суть в енергетичних рівнях, на яких знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх собі у вигляді різноманітних рядів на нашому стадіоні і в електрона буде своє визначене місце на одному з них. Однак, якщо у нього достатньо енергії, він може перестрибнути на інший ряд. А у разі поглинання одного з фотонів, які проходять через атом, забезпечить необхідну енергію. Проте й тут перешкода. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон має володіти строго визначеною кількістю енергії, інакше він пролетить мимо. Так і відбувається зі склом. Ряди настільки далеко одне від одного, що для енергії фотона видимого світла просто недостатньо для переміщення електронів між ними.
А у фотонів ультрафіолетового спектру енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут вже як не намагайся, сховавшись за вікном, не запалаєш. За минуле століття, з отриманням скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно як твердим, так і прозорим. Від вікон, що впускають денне світло і захищають від стихії, до приладів, які дозволяють задивлятись далеко у космос чи спостерігати за мікроскопічними світами.
Заберіть у сучасної цивілізації скло і що від неї залишиться? Як не дивно, ми рідко задумуємось над тим, наскільки воно важливе. Напевно, так відбувається тому, що будучи прозорим, скло залишається непомітним і ми забуваємо про те, що воно є.
md-eksperiment.org
