Почему стекло прозрачное?
Как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Атомы устроены тоже не сложно (в нашем, простецком описании на пальцах). В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона, или группы протонов и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны на своих электронных орбитах/орбиталях.
Свет тоже устроен просто. Забудем (кто помнил) про корпускулярно-волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет потоком шариков-фотонов, летящий из фонарика прямо к нам в глаз.
Теперь, если мы поставим между фонариком и глазом бетонную стенку – мы больше не увидим света. А если посветим на эту стенку фонариком с нашей стороны – наоборот увидим, ибо луч света отразится от бетона, и попадет к нам в глаз. Но сквозь бетон свет не пойдет.
Логично предположить, что шарики-фотоны отражаются и не проходят сквозь бетонную стену потому, что бьются об атомы вещества, т.е. бетона. Точнее бьются об электроны, ибо электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиталь к ядру, а отскакивает и отражается уже от электрона.
Почему же свет проходит сквозь стеклянную стену? Ведь внутри стекла тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким-нибудь из них, ведь атомов же триллионы в каждой крупинке стекла! Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. Возьмем самый простой случай, один электрон вращается вокруг одного протона (это атом водорода) и представим себе, что по этому электрону шарахнуло фотоном.
Вся энергия фотона перешла электрону. Говорят, что фотон поглотился электроном и исчез. А электрон получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.
Чаще всего более высокие орбиты менее устойчивы, и через какое-то время, электрон испустит этот фотон, т.е. «отпустит его на свободу», а сам вернется на свою низкую устойчивую орбиту. Испущенный фотон полетит в совершенно случайную сторону, потом будет поглощен другим, соседним атомом, и так и останется блуждать в веществе, пока случайно не излучится назад обратно, или не пойдет в конечном итоге на нагрев бетонной стены.
А теперь самое интересное. Электронные орбиты не могут находиться где угодно вокруг ядра атома. У каждого атома каждого химического элемента есть четко детерминированный и конечный набор уровней или орбит. Электрон не может чуть-чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне четкий промежуток вверх или вниз, а так как эти уровни различаются энергиями, это означает, что только фотон с определенной и весьма точно заданной энергией может подтолкнуть электрон на более высокую орбиту.
Получается, что если у нас летят три фотона с разными энергиями, и только у одного она точно равна разнице энергий между уровнями какого-то конкретного атома, лишь этот фотон «столкнется» с атомом, остальные пролетят мимо, в буквальном смысле «сквозь атом», ибо не смогут сообщить электрону четко заданную порцию энергии для перехода на другой уровень.
А как мы можем найти фотоны с разными энергиями?
Вроде бы, чем больше скорость, тем выше энергия, это знает каждый, но ведь все фотоны летят с одной и той же скоростью – скоростью света!
Может быть чем ярче и мощнее источник света (например если взять армейский прожектор, вместо фонарика), тем больше энергии будет у фотонов? Нет. В мощном и ярком луче прожектора просто большее количество самих штук фотонов, но энергия у каждого отдельного фотона точно такая же, как и у тех, что вылетают из дохлого карманного фонарика.
И вот тут нам придется все-таки вспомнить, что свет это не только поток шариков-частиц, но еще и волна. Разные фотоны отличаются разной длиной волны, т.е. разной частотой собственных колебаний. И чем выше частота колебаний, тем более мощный заряд энергии несет фотон.
Низкочастотные фотоны (инфракрасного света или радиоволны) несут мало энергии, высокочастотные (ультрафиолетовый свет или рентгеновское излучение) – много. Видимый свет – где-то посредине. Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла! Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.
А вот ультрафиолетовые фотоны – вполне себе несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло – абсолютно черное и непрозрачное.
Причем, что интересно. Слишком много энергии – тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций.
Например, бетон прозрачен для радиоволн, и инфракрасного излучения, непрозрачен для видимого света и ультрафиолета, не прозрачен так же для рентгена, но снова прозрачен (в какой-то мере) для гамма-излучения.
Именно поэтому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.
А если еще вспомнить, что видимый свет тоже не весь белый, а состоит из разных длин (т.е. цветов) волн от красного до темно-синего, станет примерно понятно, почему предметы имеют разные цвета и оттенки, почему розы красные, а фиалки – голубые.
Почему газы прозрачны, а твердые тела нет?
Температура играет решающую роль в том, будет ли данное вещество твердым, жидким или газообразным. При нормальном давлении на поверхности земли при температуре 0 градусов Цельсия и ниже вода – твердое тело. При температурах между 0 и 100 градусами Цельсия вода – жидкость. При температуре выше 100 градусов Цельсия вода – газ. Пар из кастрюли распространяется по кухне равномерно во все стороны. На основании вышесказанного предположим, что сквозь газы можно видеть, а сквозь твердые тела это невозможно. Но некоторые твердые вещества, например такие, как стекло, столь же прозрачны, как воздух. Как это получается? Большинство твердых веществ поглощает падающий на них свет. Часть поглощенной световой энергии уходит на нагревание тела. Большая часть падающего света отражается. Поэтому мы видим твердое тело, но не можем видеть сквозь него.
Выводы
Вещество выглядит прозрачным, когда кванты света (фотоны) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но фотоны имеют разную энергию, а каждое химическое соединение поглощает лишь те фотоны, которые обладают подходящей ему энергией. На видимый свет – от красного до фиолетового – приходится очень небольшой диапазон энергий фотонов. И как раз этим диапазоном «не интересуется» диоксид кремния, основной компонент стекла. Поэтому фотоны видимого света почти беспрепятственно проходят сквозь стекло.
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 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.
Источники
Как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы – из атомов. Атомы устроены тоже не сложно (в нашем, простецком описании на пальцах). В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона, или группы протонов и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны на своих электронных орбитах/орбиталях.
Свет тоже устроен просто. Забудем (кто помнил) про корпускулярно-волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет потоком шариков-фотонов, летящий из фонарика прямо к нам в глаз.
Теперь, если мы поставим между фонариком и глазом бетонную стенку – мы больше не увидим света. А если посветим на эту стенку фонариком с нашей стороны – наоборот увидим, ибо луч света отразится от бетона, и попадет к нам в глаз. Но сквозь бетон свет не пойдет.
Логично предположить, что шарики-фотоны отражаются и не проходят сквозь бетонную стену потому, что бьются об атомы вещества, т.е. бетона. Точнее бьются об электроны, ибо электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиталь к ядру, а отскакивает и отражается уже от электрона.
Почему же свет проходит сквозь стеклянную стену? Ведь внутри стекла тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким-нибудь из них, ведь атомов же триллионы в каждой крупинке стекла! Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. Возьмем самый простой случай, один электрон вращается вокруг одного протона (это атом водорода) и представим себе, что по этому электрону шарахнуло фотоном.
Вся энергия фотона перешла электрону. Говорят, что фотон поглотился электроном и исчез. А электрон получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.
Чаще всего более высокие орбиты менее устойчивы, и через какое-то время, электрон испустит этот фотон, т.е. «отпустит его на свободу», а сам вернется на свою низкую устойчивую орбиту. Испущенный фотон полетит в совершенно случайную сторону, потом будет поглощен другим, соседним атомом, и так и останется блуждать в веществе, пока случайно не излучится назад обратно, или не пойдет в конечном итоге на нагрев бетонной стены.
А теперь самое интересное. Электронные орбиты не могут находиться где угодно вокруг ядра атома. У каждого атома каждого химического элемента есть четко детерминированный и конечный набор уровней или орбит. Электрон не может чуть-чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне четкий промежуток вверх или вниз, а так как эти уровни различаются энергиями, это означает, что только фотон с определенной и весьма точно заданной энергией может подтолкнуть электрон на более высокую орбиту.
Получается, что если у нас летят три фотона с разными энергиями, и только у одного она точно равна разнице энергий между уровнями какого-то конкретного атома, лишь этот фотон «столкнется» с атомом, остальные пролетят мимо, в буквальном смысле «сквозь атом», ибо не смогут сообщить электрону четко заданную порцию энергии для перехода на другой уровень.
А как мы можем найти фотоны с разными энергиями?
Вроде бы, чем больше скорость, тем выше энергия, это знает каждый, но ведь все фотоны летят с одной и той же скоростью – скоростью света!
Может быть чем ярче и мощнее источник света (например если взять армейский прожектор, вместо фонарика), тем больше энергии будет у фотонов? Нет. В мощном и ярком луче прожектора просто большее количество самих штук фотонов, но энергия у каждого отдельного фотона точно такая же, как и у тех, что вылетают из дохлого карманного фонарика.
И вот тут нам придется все-таки вспомнить, что свет это не только поток шариков-частиц, но еще и волна. Разные фотоны отличаются разной длиной волны, т.е. разной частотой собственных колебаний. И чем выше частота колебаний, тем более мощный заряд энергии несет фотон.
Низкочастотные фотоны (инфракрасного света или радиоволны) несут мало энергии, высокочастотные (ультрафиолетовый свет или рентгеновское излучение) – много. Видимый свет – где-то посредине. Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла! Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.
А вот ультрафиолетовые фотоны – вполне себе несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло – абсолютно черное и непрозрачное.
Причем, что интересно. Слишком много энергии – тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций.
Например, бетон прозрачен для радиоволн, и инфракрасного излучения, непрозрачен для видимого света и ультрафиолета, не прозрачен так же для рентгена, но снова прозрачен (в какой-то мере) для гамма-излучения.
Именно поэтому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.
А если еще вспомнить, что видимый свет тоже не весь белый, а состоит из разных длин (т.е. цветов) волн от красного до темно-синего, станет примерно понятно, почему предметы имеют разные цвета и оттенки, почему розы красные, а фиалки – голубые.
Почему газы прозрачны, а твердые тела нет?
Температура играет решающую роль в том, будет ли данное вещество твердым, жидким или газообразным. При нормальном давлении на поверхности земли при температуре 0 градусов Цельсия и ниже вода – твердое тело. При температурах между 0 и 100 градусами Цельсия вода – жидкость. При температуре выше 100 градусов Цельсия вода – газ. Пар из кастрюли распространяется по кухне равномерно во все стороны. На основании вышесказанного предположим, что сквозь газы можно видеть, а сквозь твердые тела это невозможно. Но некоторые твердые вещества, например такие, как стекло, столь же прозрачны, как воздух. Как это получается? Большинство твердых веществ поглощает падающий на них свет. Часть поглощенной световой энергии уходит на нагревание тела. Большая часть падающего света отражается. Поэтому мы видим твердое тело, но не можем видеть сквозь него.
Выводы
Вещество выглядит прозрачным, когда кванты света (фотоны) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но фотоны имеют разную энергию, а каждое химическое соединение поглощает лишь те фотоны, которые обладают подходящей ему энергией. На видимый свет – от красного до фиолетового – приходится очень небольшой диапазон энергий фотонов. И как раз этим диапазоном «не интересуется» диоксид кремния, основной компонент стекла. Поэтому фотоны видимого света почти беспрепятственно проходят сквозь стекло.
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 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.