Вы когда-нибудь видели, как строится дом?
Плотники сначала возводят основной каркас сооружения с помощью двух-четырех шпилек.
Затем они прибивают обшивку, обычно фанеру, к гвоздям, чтобы сделать стены.
Большинство стен имеют оконный проем, который удерживает лист стекла, расположенный в рамке.
Окна делают дом ярким, теплым и гостеприимным, потому что они пропускают свет.
Но почему стеклянное окно должно быть более прозрачным, чем окружающее его дерево?
В конце концов, оба материала тверды, и оба защищают от дождя, снега и ветра.
Однако дерево непрозрачно и полностью блокирует свет, в то время как стекло прозрачно и беспрепятственно пропускает солнечный свет.
Возможно, вы слышали, как некоторые люди — даже некоторые научные книги - пытаются объяснить это, говоря, что дерево - это истинное твердое тело, а стекло - очень вязкая жидкость.
Затем они продолжают доказывать, что атомы в стекле расположены дальше друг от друга и что эти промежутки пропускают свет.
Они могут даже указывать на окна вековых домов, которые часто выглядят волнистыми и неровно толстыми, как свидетельство того, что окна "текли" на протяжении многих лет, как медленное ползание патоки в холодный день.
На самом деле, стекло вовсе не жидкость.
Это особый вид твердого тела, известный как аморфное твердое вещество.
Это состояние материи, в котором атомы и молекулы зафиксированы на месте, но вместо того, чтобы образовывать аккуратные, упорядоченные кристаллы, они располагаются случайным образом.
В результате стекла являются механически жесткими, как твердые вещества, но имеют разупорядоченное расположение молекул, как жидкости.
Аморфные твердые вещества образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается - процесс, известный как закалка.
Во многом стекла похожи на керамику и обладают всеми ее свойствами: долговечностью, прочностью и хрупкостью, высоким электрическим и термическим сопротивлением, отсутствием химической реактивности.
Оксидное стекло, которое вы найдете в листовом стекле, контейнерах и лампочках, обладает еще одним важным свойством: оно прозрачно для диапазона длин волн, известного как видимый свет.
Чтобы понять почему, мы должны поближе рассмотреть атомную структуру стекла и понять, что происходит, когда фотоны — мельчайшие частицы света — взаимодействуют с этой структурой.
Во-первых, вспомним, что электроны окружают ядро атома, занимая разные энергетические уровни.
Чтобы перейти с более низкого уровня энергии на более высокий, электрон должен получить энергию.
Напротив, чтобы перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий, электрон должен отказаться от энергии.
Теперь давайте рассмотрим фотон, движущийся и взаимодействующий с твердым веществом.
Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы возбудить стеклянный электрон до более высокого энергетического уровня.
Физики утверждают, что в материалах находятся области, известные как запрещенные зоны, где уровни энергии для электронов вообще не существуют.
Некоторые материалы имеют большие запрещенные зоны, чем другие.
Стекло является одним из тех материалов, что означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем они смогут перейти от одной энергетической зоны к другой и обратно.
Фотоны видимого света - света с длинами волн от 400 до 700 нанометров, соответствующего цветам фиолетового, индиго, синего, зеленого, желтого, оранжевого и красного — просто не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать этот скачок.
Следовательно, фотоны видимого света проходят через стекло, а не поглощаются или отражаются, делая стекло прозрачным.
На длинах волн меньше видимого света фотоны начинают обладать достаточной энергией для перемещения стеклянных электронов из одной энергетической зоны в другую.
Например, ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол, таких как стекло в окне.
Это делает окно, включая окно в нашем гипотетическом строящемся доме, непрозрачным для ультрафиолета, как дерево для видимого света.
Понравилась статья? Надеемся на Вас!