Pirma, pasakykime keletą žodžių apie kietąsias medžiagas, skysčius ir dujas. Kietoje medžiagoje molekulės yra stipriai traukiamos viena prie kitos. Jie tiesiogine prasme sulipo.
Štai kodėl tvirti kūnai turi ribotą formą, pavyzdžiui, rutulio ar kubo. Tačiau nors molekulės yra labai sandariai supakuotos, jos vis tiek šiek tiek vibruoja apie savo vidurinę padėtį (gamtoje niekas nestovi vietoje).
Molekulės skysčiuose ir dujose
Skysčiuose molekulės laisviau jungiasi viena su kita. Jie slysta ir juda vienas kito atžvilgiu. Todėl skysčiai yra skysti ir užima visą indo, į kurį jie pilami, tūrį. Dujose molekulės yra visiškai nesusijusios viena su kita. Jie Su dideliu greičiu išsklaidyti į visas puses. Vidutinis vandenilio molekulės skrydžio greitis 0 laipsnių Celsijaus temperatūroje yra 5600 kilometrų per valandą. Tarp dujų molekulių yra laisvos erdvės masė. Galite eiti per dujų debesį ir to net nepastebėti.
Susijusios medžiagos:
Kaip gaminamos kalėdinės dekoracijos?
Kodėl dujos yra skaidrios, o kietosios medžiagos ne?
Temperatūra vaidina lemiamą vaidmenį nustatant, ar tam tikra medžiaga yra kieta, skysta ar dujinė. Esant normaliam slėgiui žemės paviršiuje, esant 0 laipsnių Celsijaus ir žemesnei temperatūrai, vanduo yra kietas kūnas. Esant 0–100 laipsnių Celsijaus temperatūrai, vanduo yra skystis. Esant aukštesnei nei 100 laipsnių Celsijaus temperatūrai, vanduo yra dujos. Garai iš puodo tolygiai pasklinda visomis kryptimis visoje virtuvėje.
Remdamiesi tuo, kas išdėstyta, darykime prielaidą, kad pro dujas galima matyti, bet per kietąsias medžiagas – neįmanoma. Tačiau kai kurios kietosios medžiagos, pavyzdžiui, stiklas, yra skaidrios kaip oras. Kaip tai veikia? Dauguma kietųjų medžiagų sugeria šviesą, kuri patenka ant jų. Dalis sugertos šviesos energijos eina kūnui šildyti. Dauguma krintanti šviesa atsispindi. Todėl matome tvirtą kūną, bet nematome kiaurai.
Susijusios medžiagos:
Kodėl stiklas yra skaidrus?
Stiklo molekulės sugeria ant jo krintančios šviesos fotonus. Tą pačią akimirką stiklo molekulės skleidžia tuos pačius fotonus ta pačia kryptimi. Stiklas sugeria fotonus ir išspinduliuoja tuos pačius fotonus ta pačia kryptimi. Taip stiklas pasirodo skaidrus, tai yra, iš tikrųjų praleidžia šviesą. Ta pati istorija vyksta su vandeniu ir kitais beveik bespalviais skysčiais. Didžiąją dalį krentančios šviesos neša molekulės. Kai kurie fotonai yra absorbuojami, o jų energija naudojama skysčiui šildyti.
Dujose molekulės yra dideliais atstumais viena nuo kitos. Šviesos spinduliai gali prasiskverbti pro dujų debesį, savo kelyje nesutikdami nė vienos molekulės. Taip yra daugumos saulės šviesos fotonų, praeinančių per žemės atmosferą, atveju. Šviesa išsisklaido susidūrusi su dujų molekulėmis. Kai balta šviesa susiduria su molekule, ji suskaidoma į spalvų spektrą. Todėl atrodo, kad dujos žemės atmosfera atrodyti mėlynai. Nepaisant to, jie laikomi skaidriais.
Susijusios medžiagos:
Žemės atmosferos sudėtis, oro molekulės dydis
Jei radote klaidą, pažymėkite teksto dalį ir spustelėkite Ctrl + Enter.
- Kas yra Venecijos stiklas ir...
- Kodėl žmogus žiovauja ir kodėl...
- Kodėl žmogus neatpažįsta savo...
Kaip žinote, visi kūnai yra sudaryti iš molekulių, o molekulės – iš atomų. Atomai taip pat nėra sudėtingi (mūsų paprastame aprašyme ant pirštų). Kiekvieno atomo centre yra branduolys, susidedantis iš protono arba protonų ir neutronų grupės, o aplink, ratu, elektronai sukasi savo elektroninėmis orbitomis / orbitomis.
Šviesa taip pat paprasta. Pamirškite (kas prisiminė) apie bangų ir dalelių dvilypumą ir Maksvelo lygtis, tegul šviesa yra fotonų rutulių srautas, skrendantis iš žibintuvėlio tiesiai į akis.
Dabar, jei tarp žibintuvėlio ir akies pastatysime betoninę sieną, šviesos nebematysime. O jei į šią sieną iš savo pusės pašviesime žibintuvėlį, pamatysime, atvirkščiai, nes šviesos spindulys atsispindės nuo betono ir pataikys į akį. Bet šviesa nepraeis per betoną.
Logiška manyti, kad fotonų rutuliai atsispindi ir nepraeina per betoninę sieną, nes atsitrenkia į medžiagos atomus, t.y. betono. Tiksliau, jie atsitrenkia į elektronus, nes elektronai sukasi taip greitai, kad fotonas neprasiskverbia pro elektrono orbitą į branduolį, o atsimuša ir atsispindi nuo elektrono.
Kodėl šviesa prasiskverbia pro stiklinę sieną? Iš tiesų, stiklo viduje taip pat yra molekulių ir atomų, o jei paimtume pakankamai storą stiklą, bet kuris fotonas anksčiau ar vėliau turi susidurti su vienu iš jų, nes kiekvienoje stiklo grūdelėje yra trilijonai atomų! Viskas apie tai, kaip elektronai susiduria su fotonais. Paimkime paprasčiausią atvejį, vienas elektronas sukasi aplink vieną protoną (tai vandenilio atomas) ir įsivaizduokime, kad fotonas pataikė į šį elektroną.
Visa fotono energija buvo perduota elektronui. Teigiama, kad fotonas sugeria elektroną ir išnyksta. O elektronas gavo papildomos energijos (kurią fotonas nešė su savimi) ir iš šios papildomos energijos peršoko į aukštesnę orbitą ir pradėjo skristi toliau nuo branduolio.
Dažniausiai aukštesnės orbitos būna mažiau stabilios, o po kurio laiko elektronas išskirs šį fotoną, t.y. „Paleisk jį į laisvę“, ir jis pats grįš į savo žemą stabilią orbitą. Išspinduliuotas fotonas skris visiškai atsitiktine kryptimi, tada jį sugers kitas, gretimas atomas, ir liks klajoti medžiagoje tol, kol netyčia išspinduliuos atgal arba galiausiai pradės šildyti betoninę sieną.
O dabar įdomiausia. Elektronų orbitos negali būti bet kur aplink atomo branduolį. Kiekvienas kiekvieno atomas cheminis elementas yra gerai nustatytas ir baigtinis lygių arba orbitų rinkinys. Elektronas negali pakilti šiek tiek aukščiau ar nukristi šiek tiek žemiau. Jis gali šokinėti tik labai aiškiu intervalu aukštyn arba žemyn, o kadangi šie lygiai skiriasi energija, tai reiškia, kad tik tam tikrą ir labai tiksliai nurodytą energiją turintis fotonas gali nustumti elektroną į aukštesnę orbitą.
Pasirodo, kad jei turime tris fotonus, skrendančius iš skirtingos energijos, ir tik vienam jis yra tiksliai lygus energijos skirtumui tarp konkretaus atomo lygių, tik šis fotonas „susidurs“ su atomu, likusieji praskris pro šalį, žodžiu „per atomą“, nes jų nebus. galintis suteikti elektronui aiškiai apibrėžtą energijos dalį perėjimui į kitą lygį.
Ir kaip mes galime rasti skirtingos energijos fotonus?
Atrodo, kad nei daugiau greičio, kuo didesnė energija, tai visi žino, bet juk visi fotonai skrenda vienodu greičiu – šviesos greičiu!
Galbūt kuo ryškesnis ir galingesnis bus šviesos šaltinis (pavyzdžiui, jei vietoj žibintuvėlio imsite kariuomenės prožektorių), tuo daugiau energijos turės fotonai? Nr. Galingame ir ryškiame prožektoriaus spindulyje pačių fotonų gabalėlių tiesiog yra daugiau, tačiau kiekvieno atskiro fotono energija lygiai tokia pati, kaip ir tų, kurie išskrenda iš negyvo žibintuvėlio.
Ir čia dar turime prisiminti, kad šviesa yra ne tik dalelių rutuliukų srautas, bet ir banga. Skirtingi fotonai turi skirtingą bangos ilgį, t.y. skirtingi natūralių virpesių dažniai. Ir kuo didesnis virpesių dažnis, tuo galingesnį energijos krūvį fotonas neša.
Žemo dažnio fotonai (infraraudonoji šviesa arba radijo bangos) neša mažai energijos, aukšto dažnio fotonai (ultravioletinė šviesa arba rentgeno spinduliai) – daug. Matoma šviesa yra kažkur viduryje. Čia slypi stiklo skaidrumo raktas! Visi stiklo atomai turi elektronų tokiomis orbitomis, kad norint pereiti į aukštesnę, jiems reikia papildomos energijos, kurios matomos šviesos fotonams nepakanka. Todėl jis praeina pro stiklą, praktiškai nesusidurdamas su jo atomais.
Tačiau ultravioletiniai fotonai neša energiją, reikalingą elektronams judėti iš orbitos į orbitą, todėl ultravioletinėje šviesoje įprastas lango stiklas yra visiškai juodas ir nepermatomas.
Ir kas įdomaus. Per daug energijos taip pat yra blogai. Fotono energija turi būti lygiai lygi perėjimo tarp orbitų energijai, iš kurios bet kuri medžiaga vieniems elektromagnetinių bangų bangų ilgiams (ir dažniams) yra skaidri, o kitiems – nepermatoma, nes visos medžiagos susideda iš skirtingų atomų ir jų konfigūracijos.
Pavyzdžiui, betonas yra skaidrus radijo bangoms ir infraraudonajai spinduliuotei, nepermatomas matomai šviesai ir ultravioletiniams spinduliams, nepermatomas rentgeno spinduliams, bet vėl skaidrus (tam tikru mastu) gama spinduliuotei.
Štai kodėl teisinga sakyti, kad stiklas yra skaidrus matomai šviesai. Ir radijo bangoms. Ir gama spinduliuotei. Bet nepermatomas ultravioletiniams spinduliams. Ir beveik nepermatomas infraraudoniesiems spinduliams.
Ir jei dar prisiminsime, kad matoma šviesa taip pat nėra visiškai balta, o susideda iš skirtingų bangų ilgių (t. y. spalvų) nuo raudonos iki tamsiai mėlynos spalvos, bus maždaug aišku, kodėl objektai turi skirtingas spalvas ir atspalvius, kodėl rožės yra raudonos ir violetinės yra mėlynos.
Kodėl dujos yra skaidrios, o kietosios medžiagos ne?
Temperatūra vaidina lemiamą vaidmenį nustatant, ar tam tikra medžiaga yra kieta, skysta ar dujinė. Esant normaliam slėgiui žemės paviršiuje, esant 0 laipsnių Celsijaus ir žemesnei temperatūrai, vanduo yra kietas kūnas. Esant 0–100 laipsnių Celsijaus temperatūrai, vanduo yra skystis. Esant aukštesnei nei 100 laipsnių Celsijaus temperatūrai, vanduo yra dujos. Garai iš puodo tolygiai pasklinda visomis kryptimis visoje virtuvėje. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta, darykime prielaidą, kad pro dujas galima matyti, bet per kietąsias medžiagas – neįmanoma. Tačiau kai kurios kietosios medžiagos, pavyzdžiui, stiklas, yra skaidrios kaip oras. Kaip tai veikia? Dauguma kietųjų medžiagų sugeria šviesą, kuri patenka ant jų. Dalis sugertos šviesos energijos eina kūnui šildyti. Didžioji dalis krentančios šviesos atsispindi. Todėl matome tvirtą kūną, bet nematome kiaurai.
išvadas
Medžiaga atrodo skaidri, kai šviesos kvantai (fotonai) praeina pro ją nesusigėrę. Tačiau fotonai turi skirtingą energiją ir kiekvienas cheminis junginys sugeria tik tuos fotonus, kurie turi atitinkamą energiją. Matoma šviesa, nuo raudonos iki violetinės spalvos, turi labai mažą fotonų energijos diapazoną. Ir kaip tik šio asortimento „nedomina“ silicio dioksidas, pagrindinis stiklo komponentas. Todėl matomos šviesos fotonai pro stiklą praeina beveik netrukdomi.
Kyla klausimas ne kodėl stiklas yra skaidrus, o kodėl kiti objektai nėra skaidrūs. Tai viskas apie energijos lygius, kuriuose elektronai yra atome. Galite įsivaizduoti juos kaip skirtingas stadiono eiles. Vienoje iš eilių elektronas turi tam tikrą vietą. Tačiau jei jam užtenka energijos, gali peršokti į kitą eilę. Kai kuriais atvejais vieno iš fotonų, einančių per atomą, sugertis suteiks reikiamos energijos. Bet čia yra laimikis. Norint perkelti elektroną iš eilės į eilę, fotonas turi turėti griežtai apibrėžtą energijos kiekį, kitaip jis praskris. Taip atsitinka su stiklu. Eilės yra taip toli viena nuo kitos, kad matomos šviesos fotono energijos tiesiog nepakanka elektronams tarp jų perkelti.
O ultravioletinio spektro fotonai turi pakankamai energijos, todėl yra sugeriami, o čia, kad ir kaip stengtumėtės, pasislėpę už stiklo, neįdegsite. Per šimtmetį, prabėgusį nuo stiklo gamybos, žmonės puikiai įvertino jo unikalią savybę – tvirtumą ir skaidrumą. Nuo langų, praleidžiančių dienos šviesą ir apsaugančių nuo stichijos, iki įrenginių, leidžiančių pažvelgti toli į kosmosą ar stebėti mikroskopinius pasaulius.
Atimti iš šiuolaikinės civilizacijos stiklą, o kas iš jo liks? Kaip bebūtų keista, retai susimąstome, kaip tai svarbu. Tikriausiai taip nutinka todėl, kad stiklas, būdamas skaidrus, lieka nematomas, o mes pamirštame, kad taip yra.
Pažiūrėk pro langą. Jei nešiojate akinius, nešiokite juos. Paimkite žiūronus ir nepamirškite didinamojo stiklo. Ką tu matai? Kad ir į ką žiūrėtumėte, daugybė stiklo sluoksnių netrukdys jūsų regėjimui. Bet kaip yra, kad tokia kieta medžiaga praktiškai nematoma?
Norėdami tai suprasti, turite žinoti stiklo struktūrą ir jo kilmės prigimtį.
Viskas prasideda nuo žemės plutos, kurią daugiausia sudaro silicis ir deguonis. Šie elementai reakcijoje sudaro silicio dioksidą, kurio molekulės išsirikiuoja į teisingą kvarco kristalinę gardelę. Visų pirma, stiklui gaminti naudojamas smėlis yra daug kristalinio kvarco. Tikriausiai žinote, kad stiklas yra kietas ir visai nesusideda iš mažų kvarco gabalėlių, ir tai neatsitiktinai.
Pirma, šiurkštūs smėlio grūdelių kraštai ir kristalų struktūros mikrodefektai atspindi ir išsklaido ant jų krintantį šviesą. Bet jei pakaitinsite kvarcą iki aukštų temperatūrų, molekulės pradės stipriau vibruoti, o tai nutrūks jų tarpusavio ryšyje. Ir pats kristalas pavirs skysčiu, kaip ledas virsta vandeniu. Tiesa, su vieninteliu skirtumu: atvėsus atgal į kristalą, kvarco molekulės nebesusirinks. Atvirkščiai, molekulėms prarandant energiją, sutvarkymo tikimybė tik mažėja. Rezultatas – amorfinis kūnas. Kieta medžiaga, turinti skysčio savybių, kuriai būdingas tarpkristalinių ribų nebuvimas. Dėl to mikroskopiniame lygyje stiklas įgauna vienalytiškumą. Dabar šviesa beveik netrukdoma praeina per medžiagą.
Tačiau tai nepaaiškina, kodėl stiklas praleidžia šviesą ir jos nesugeria, kaip ir kitos kietosios medžiagos. Atsakymas slypi mažiausiu mastu, intraatominiu. Nors daugelis žmonių žino, kad atomas susideda iš branduolio ir aplink besisukančių elektronų, kiek žmonių žino, kad atomas yra beveik tobula tuštuma? Jei atomas būtų futbolo stadiono dydžio, branduolys būtų žirnio dydžio lauko centre, o elektronai būtų smulkūs smėlio grūdeliai kažkur galinėse eilėse. Taigi, yra daugiau nei pakankamai vietos laisvam šviesos pratekėjimui.
Kyla klausimas ne kodėl stiklas yra skaidrus, o kodėl kiti objektai nėra skaidrūs. Tai viskas apie energijos lygius, kuriuose elektronai yra atome. Galite įsivaizduoti jas kaip skirtingas eiles mūsų stadione. Vienoje iš eilių elektronas turi tam tikrą vietą. Tačiau jei jam užtenka energijos, gali peršokti į kitą eilę. Kai kuriais atvejais vieno iš fotonų, einančių per atomą, sugertis suteiks reikiamos energijos. Bet čia yra laimikis. Norint perkelti elektroną iš eilės į eilę, fotonas turi turėti griežtai apibrėžtą energijos kiekį, kitaip jis praskris. Taip atsitinka su stiklu. Eilės yra taip toli viena nuo kitos, kad matomos šviesos fotono energijos tiesiog nepakanka elektronams tarp jų perkelti.
O ultravioletinio spektro fotonai turi pakankamai energijos, todėl jie sugeriami, o čia, kad ir kaip stengtumėtės, pasislėpę už stiklo, neįdegsite. Per šimtmetį, prabėgusį nuo stiklo gamybos, žmonės puikiai įvertino jo unikalią savybę – tvirtumą ir skaidrumą. Nuo langų, praleidžiančių dienos šviesą ir apsaugančių nuo stichijos, iki įrenginių, leidžiančių pažvelgti toli į kosmosą ar stebėti mikroskopinius pasaulius.
Atimti iš šiuolaikinės civilizacijos stiklą, o kas iš jo liks? Kaip bebūtų keista, retai susimąstome, kaip tai svarbu. Tikriausiai taip nutinka todėl, kad stiklas, būdamas skaidrus, lieka nematomas, o mes pamirštame, kad taip yra.
Raktažodžiai: stiklo sandara, stiklo kilmė, portalas Mokslas eksperimente, moksliniai straipsniai
Vaikystėje kartą paklausiau tėvo: „Kodėl stiklas praleidžia šviesą? Iki to laiko aš sužinojau, kad šviesa yra dalelių, vadinamų fotonais, srautas, ir man atrodė nuostabu, kaip tokia maža dalelė gali praskrieti per storą stiklą. Tėvas atsakė: „Nes jis skaidrus“. Tylėjau, nes supratau, kad „skaidrus“ tėra posakio „praleidžia šviesą“ sinonimas, o tėvas atsakymo tikrai nežino. Atsakymo nebuvo ir mokykliniuose vadovėliuose, bet norėčiau sužinoti. Kodėl stiklas praleidžia šviesą?
Atsakymas
Fizikai šviesą vadina ne tik matoma šviesa, bet ir nematoma infraraudonąja spinduliuote, ultravioletine spinduliuote, rentgeno spinduliais, gama spinduliuote, radijo bangomis. Medžiagos, kurios yra skaidrios vienai spektro daliai (pavyzdžiui, žaliai šviesai), gali būti nepermatomos kitoms spektro dalims (pvz., raudonas stiklas nepraleidžia žalių spindulių). Paprastas stiklas nepraleidžia ultravioletinės spinduliuotės, o kvarcinis stiklas yra skaidrus ultravioletiniams spinduliams. Rentgeno spinduliams skaidrios medžiagos yra medžiagos, kurios visiškai nepraleidžia matomos šviesos. ir kt.
Šviesa susideda iš dalelių, vadinamų fotonais. Skirtingų „spalvų“ (dažnio) fotonai neša skirtingas energijos dalis.
Fotonus gali sugerti materija, perduodama jai energiją ir ją kaitinant (gerai žino visi besideginantys paplūdimyje). Šviesa gali atsispindėti nuo materijos, po to kristi į akis, todėl matome mus supančius objektus, o visiškoje tamsoje, kur nėra šviesos šaltinių, nieko nematome. Ir šviesa gali prasiskverbti pro medžiagą – tada mes sakome, kad ši medžiaga yra skaidri.
Skirtingos medžiagos sugeria, atspindi ir praleidžia šviesą skirtingomis proporcijomis, todėl skiriasi savo optinėmis savybėmis (tamsesnė ir šviesesnė, skirtingos spalvos, blizgesys, skaidrumas): suodžiai sugeria 95% ant jų krintančios šviesos, o poliruotas sidabrinis veidrodis atspindi 98%. šviesos. Sukūrė anglies nanovamzdelių pagrindu pagamintą medžiagą, kuri atspindi tik 45 tūkstantąsias dalis krintančios šviesos.
Kyla klausimai: kada fotoną sugeria medžiaga, kada jis atsispindi, o kada praeina pro materiją? Dabar mus domina tik trečiasis klausimas, bet prabėgomis atsakysime į pirmąjį.
Šviesos ir materijos sąveika – tai fotonų sąveika su elektronais. Elektronas gali sugerti fotoną ir gali spinduliuoti fotoną. Nėra fotonų atspindžio. Fotonų atspindys yra dviejų pakopų procesas: fotono sugertis ir vėlesnė lygiai to paties fotono emisija.
Elektronai atome gali užimti tik tam tikras orbitas, kurių kiekviena turi savo energijos lygį. Kiekvieno cheminio elemento atomas pasižymi savo energijos lygių rinkiniu, t.y. leistinomis elektronų orbitomis (tas pats pasakytina apie molekules, kristalus, kondensuotą materijos būseną: suodžiai ir deimantas turi tuos pačius anglies atomus, tačiau optinis medžiagų savybės yra skirtingos; metalai, smulkiai atspindintys šviesą, yra skaidrūs ir net keičia spalvą (žalias auksas), jei iš jų daromos plonos plėvelės; amorfinis stiklas nepraleidžia ultravioletinių spindulių, o iš tų pačių silicio oksido molekulių kristalinis stiklas yra skaidrus ultravioletiniai spinduliai).
Sugėręs tam tikros energijos (spalvos) fotoną, elektronas pasislenka į aukštesnę orbitą. Priešingai, išspinduliuodamas fotoną, elektronas nukeliauja į žemesnę orbitą. Elektronai gali sugerti ir išspinduliuoti ne bet kokius fotonus, o tik tuos, kurių energija (spalva) atitinka šio konkretaus atomo energijos lygių skirtumą.
Taigi, kaip šviesa elgiasi susidūrusi su medžiaga (atspindi, sugeria, praeina pro ją), priklauso nuo to, kokie yra leistini tam tikros medžiagos energijos lygiai ir kokią energiją turi fotonai (t. y. kokios spalvos yra ant medžiagos krentanti šviesa).
Kad fotoną sugertų vienas iš atomo elektronų, jo energija turi būti griežtai apibrėžta, atitinkanti bet kurių dviejų atomo energijos lygių energijos skirtumą, kitaip jis praskris pro šalį. Stikluose atstumas tarp atskirų energijos lygių yra didelis, ir ne vienas matomos šviesos fotonas neturi atitinkamos energijos, kurios pakaktų, kad elektronas, sugėręs fotoną, galėtų peršokti į aukštesnį energijos lygį. Todėl stiklas perduoda matomos šviesos fotonus. Tačiau ultravioletinės šviesos fotonai turi pakankamai energijos, todėl elektronai šiuos fotonus sugeria, o stiklas atitolina ultravioletinį. Kvarciniame stikle atstumas tarp leistinų energijos lygių (energijos tarpas) yra dar didesnis, todėl ne tik matomos, bet ir ultravioletinės šviesos fotonai neturi pakankamai energijos, kad elektronai juos sugertų ir pereitų į viršutinius leistinus lygius.
Taigi, matomos šviesos fotonai praeina per stiklą, nes jie neturi tinkamos energijos perkelti elektronus į aukštesnį energijos lygį, todėl stiklas atrodo skaidrus.
Į stiklą įdėjus priemaišų, kurios turi skirtingą energijos spektrą, jį galima padaryti spalvotą – stiklas sugers tam tikros energijos fotonus ir perduos likusius matomos šviesos fotonus.
Straipsnyje bandau paaiškinti, kodėl kai kurios medžiagos yra skaidrios matomai šviesai, o kitos – ne. Visiškai ši tema yra labai sudėtinga ir patenka į pačias fizikinių procesų džiungles, turinčias įtakos optikai, chemijai, kvantinei mechanikai ir daugeliui kitų susijusių disciplinų, ir apima akį traukiančias formules bei įnirtingą matematinį aparatą. Aš sąmoningai darysiu labai plačias prielaidas, praleisdamas 9/10 kartų to, kas vyksta materijoje. faktiškai .
Mano tikslas – pasakoti taip, kad net nepradėjusiam mokytis fizikos moksleiviui taptų aišku, t.y. Žodžiu, 5 klasės mokinys.
Taigi, kaip žinote, visi kūnai yra sudaryti iš molekulių, o molekulės – iš atomų. Atomai nėra sudėtingi (mūsų paprastame aprašyme ant pirštų™). Kiekvieno atomo centre yra branduolys, susidedantis iš protono arba protonų ir neutronų grupės, o aplink apvalus elektronai sukasi savo elektronų orbitose/orbitalėse.
Šviesa taip pat gana paprasta. Pamirškime (kas prisiminė) apie korpuskulinės bangos dualizmą ir Maksvelo lygtis, tegul šviesa būna fotonų rutuliukų srautas, skrendantis iš žibintuvėlio tiesiai į akis.
Dabar, jei tarp žibintuvėlio ir akies pastatysime betoninę sieną, šviesos nebematysime. O jei į šią sieną iš savo pusės pašviesime žibintuvėlį, pamatysime, atvirkščiai, nes šviesos spindulys atsispindės nuo betono ir pataikys į akis. Bet šviesa nepraeis per betoną.
Logiška manyti, kad fotonų rutuliai atsispindi ir nepraeina per betoninę sieną, nes atsitrenkia į medžiagos atomus, t.y. betono. Tiksliau, jie atsitrenkia į elektronus, nes elektronai taip greitai sukasi kad fotonas neprasiskverbia pro elektrono orbitą į branduolį, o atsimuša ir jau atsispindi nuo elektrono.
Kodėl šviesa prasiskverbia pro stiklinę sieną? Iš tiesų, stiklo viduje taip pat yra molekulių ir atomų, o jei paimtume pakankamai storą stiklą, bet kuris fotonas anksčiau ar vėliau turi susidurti su vienu iš jų, nes kiekvienoje stiklo grūdelėje yra trilijonai atomų!
Viskas apie kaip elektronai susiduria su fotonais. Paimkime paprasčiausią atvejį, vienas elektronas sukasi aplink vieną protoną (tai vandenilio atomas) ir įsivaizduokime, kad fotonas pataikė į šį elektroną.
Visa fotono energija buvo perduota elektronui. Teigiama, kad fotonas sugeria elektroną ir išnyksta. Ir elektronas gavo papildomos energijos (kurią fotonas nešė su savimi) ir iš šios papildomos energijos peršoko į aukštesnę orbitą ir pradėjo skristi toliau nuo šerdies.
Fotono sugertis elektronu ir pastarojo perėjimas į aukštesnę orbitą
Dažniausiai aukštesnės orbitos būna mažiau stabilios, o po kurio laiko elektronas išskirs šį fotoną, t.y. „Paleisk jį į laisvę“, ir grįš į žemą stabilią orbitą. Išspinduliuotas fotonas skris visiškai atsitiktine kryptimi, tada jį sugers kitas, gretimas atomas, ir liks klajoti medžiagoje tol, kol netyčia išspinduliuos atgal arba galiausiai pradės šildyti betoninę sieną.
O dabar įdomiausia. Elektronų orbitos negali būti bet kur aplink atomo branduolį. Kiekvienas kiekvieno cheminio elemento atomas turi tiksliai apibrėžtą ir baigtinį lygių arba orbitų rinkinį. Elektronas negali pakilti šiek tiek aukščiau ar nukristi šiek tiek žemiau. Jis gali šokinėti tik labai aiškiu intervalu aukštyn arba žemyn, o kadangi šie lygiai skiriasi energija, tai reiškia, kad tik tam tikrą ir labai tiksliai nurodytą energiją turintis fotonas gali nustumti elektroną į aukštesnę orbitą.
Pasirodo, jei pas mus trys fotonai skrenda su skirtingomis energijomis ir tik vienam jis yra tiksliai lygus energijos skirtumui tarp konkretaus atomo lygių, tik šis fotonas „susidurs“ su atomu, likusieji praskris pro šalį. , pažodžiui „per atomą“ , nes jie negalės informuoti elektrono apie aiškiai apibrėžtą energijos dalį, kad ji pereitų į kitą lygį.
Ir kaip mes galime rasti skirtingos energijos fotonus?
Atrodo, kuo didesnis greitis, tuo didesnė energija, tai visi žino, bet visi fotonai skrenda vienodu greičiu – šviesos greičiu!
Galbūt kuo ryškesnis ir galingesnis bus šviesos šaltinis (pavyzdžiui, jei vietoj žibintuvėlio imsite kariuomenės prožektorių), tuo daugiau energijos turės fotonai? Nr. Galingame ir ryškiame prožektoriaus spindulyje pačių fotonų gabalėlių tiesiog yra daugiau, tačiau kiekvieno atskiro fotono energija lygiai tokia pati, kaip ir tų, kurie išskrenda iš negyvo žibintuvėlio.
Ir čia dar reikia prisiminti, kad šviesa yra ne tik kamuoliukų-dalelių srautas, bet ir banga. Skirtingi fotonai turi skirtingą bangos ilgį, t.y. skirtingi natūralių virpesių dažniai. Ir kuo didesnis virpesių dažnis, tuo galingesnį energijos krūvį fotonas neša.
Žemo dažnio fotonai (infraraudonoji šviesa arba radijo bangos) neša mažai energijos, aukšto dažnio fotonai (ultravioletinė šviesa arba rentgeno spinduliai) – daug. Matoma šviesa yra kažkur viduryje.
Čia slypi stiklo skaidrumo raktas!
Visi stiklo atomai turi elektronų tokiomis orbitomis, kad norint pereiti į aukštesnę, jiems reikia papildomos energijos, kurios matomos šviesos fotonams nepakanka. Todėl jis praeina pro stiklą, praktiškai nesusidurdamas su jo atomais.
Tačiau ultravioletiniai fotonai neša energiją, reikalingą elektronams judėti iš orbitos į orbitą, todėl ultravioletinėje šviesoje įprastas lango stiklas yra visiškai juodas ir nepermatomas.
Ir kas įdomaus. Per daug energijos taip pat yra blogai. Fotono energija turi būti tiksliai yra lygi pereinamajai energijai tarp orbitų, iš kurių bet kuri medžiaga yra skaidri vieniems elektromagnetinių bangų ilgiams (ir dažniams), o kitiems – neskaidri, nes visos medžiagos susideda iš skirtingų atomų ir jų konfigūracijų, t.y. molekules.
Pavyzdžiui, betonas yra skaidrus radijo bangoms ir infraraudonajai spinduliuotei, nepermatomas matomai šviesai ir ultravioletiniams spinduliams, nepermatomas rentgeno spinduliams, bet vėl skaidrus (tam tikru mastu) gama spinduliuotei.
Štai kodėl teisinga sakyti, kad stiklas yra skaidrus. matomai šviesai. Ir radijo bangoms. Ir gama spinduliuotei. Bet nepermatomas ultravioletiniams spinduliams. Ir beveik nepermatomas infraraudoniesiems spinduliams.
Ir jei dar prisiminsime, kad matoma šviesa taip pat nėra visiškai balta, o susideda iš skirtingų bangų ilgių (t. y. spalvų) nuo raudonos iki tamsiai mėlynos spalvos, bus maždaug aišku, kodėl objektai turi skirtingas spalvas ir atspalvius, kodėl rožės yra raudonos ir violetinės yra mėlynos. Tačiau tai jau yra kito įrašo tema, paaiškinanti sudėtingus fizinius reiškinius paprasta analogijų kalba. ant pirštų™.