ทำไมแสงผ่านกระจก ทำไมกระจกถึงใสบนนิ้วมือ™

ขั้นแรก ให้พูดสองสามคำเกี่ยวกับของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ในของแข็ง โมเลกุลจะถูกดึงดูดเข้าหากันอย่างแน่นหนา พวกเขาติดกันอย่างแท้จริง

นั่นเป็นเหตุผลที่ ตัวแข็งมีรูปร่างที่แน่นอน เช่น ลูกบอลหรือลูกบาศก์ แต่ถึงแม้ว่าโมเลกุลจะถูกอัดแน่นมาก แต่ก็ยังสั่นเล็กน้อยรอบตำแหน่งตรงกลาง (ไม่มีสิ่งใดในธรรมชาติหยุดนิ่ง)

โมเลกุลในของเหลวและก๊าซ

ในของเหลว โมเลกุลจะเชื่อมต่อกันอย่างอิสระมากขึ้น พวกเขาเลื่อนและเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ดังนั้นของเหลวจึงเป็นของเหลวและครอบครองปริมาตรทั้งหมดของภาชนะที่เทลงไป ในก๊าซโมเลกุลนั้นไม่เกี่ยวข้องกันโดยสิ้นเชิง พวกเขาด้วย ความเร็วสูงกระจายไปทุกทิศทุกทาง ความเร็วเฉลี่ยในการบินของโมเลกุลไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียสคือ 5,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ระหว่างโมเลกุลของแก๊สจะมีมวลของพื้นที่ว่างอยู่ คุณสามารถเดินผ่านเมฆก๊าซและไม่ได้สังเกต

วัสดุที่เกี่ยวข้อง:

ของตกแต่งวันคริสต์มาสทำอย่างไร?

ทำไมก๊าซจึงโปร่งใสและของแข็งไม่

จากที่กล่าวมาข้างต้น สมมุติว่ามองทะลุผ่านก๊าซได้ แต่ไม่สามารถมองทะลุผ่านของแข็งได้ แต่ของแข็งบางชนิด เช่น แก้ว มีความโปร่งใสเหมือนอากาศ มันทำงานอย่างไร? ของแข็งส่วนใหญ่จะดูดซับแสงที่ตกลงมา ส่วนหนึ่งของพลังงานแสงที่ดูดซับไปจะทำให้ร่างกายร้อน ส่วนใหญ่ของแสงที่ตกกระทบจะถูกสะท้อน เราจึงมองเห็นร่างกายที่แข็งแรงแต่มองทะลุไม่ได้

วัสดุที่เกี่ยวข้อง:

ทำไมกระจกใส?

โมเลกุลแก้วดูดซับโฟตอนของแสงที่ตกลงมา ในเวลาเดียวกัน โมเลกุลของแก้วจะปล่อยโฟตอนเดียวกันไปในทิศทางเดียวกัน แก้วดูดซับโฟตอนและปล่อยโฟตอนเดียวกันไปในทิศทางเดียวกัน นี่คือลักษณะที่แก้วกลายเป็นโปร่งใส อันที่จริงแล้ว มันส่องผ่านแสง เรื่องเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับน้ำและของเหลวเกือบไม่มีสีอื่นๆ แสงตกกระทบส่วนใหญ่มาจากโมเลกุล โฟตอนบางตัวถูกดูดซับและพลังงานของพวกมันถูกใช้เพื่อทำให้ของเหลวร้อน

ในก๊าซ โมเลกุลจะอยู่ห่างจากกันเป็นระยะทางไกล รังสีของแสงสามารถทะลุผ่านเมฆก๊าซได้โดยไม่ต้องพบกับโมเลกุลเดี่ยวระหว่างทาง นี่เป็นกรณีของโฟตอนของแสงแดดส่วนใหญ่ที่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก แสงกระจัดกระจายเมื่อชนกับโมเลกุลของแก๊ส เมื่อแสงสีขาวชนกับโมเลกุล มันจะแยกออกเป็นสเปกตรัมสี ดังนั้นจึงดูเหมือนว่าก๊าซ ชั้นบรรยากาศของโลกดูสีน้ำเงิน อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ถือว่าโปร่งใส

วัสดุที่เกี่ยวข้อง:

องค์ประกอบของชั้นบรรยากาศของโลก ขนาดของโมเลกุลอากาศ

หากคุณพบข้อผิดพลาด โปรดเน้นข้อความและคลิก Ctrl+Enter.

กระจก Venetian คืออะไร และ...
ทำไมคนหาวและทำไม ...
ทำไมคนไม่รู้จักเขา ...

อย่างที่คุณทราบ ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุล และโมเลกุลประกอบด้วยอะตอม อะตอมก็ไม่ซับซ้อนเช่นกัน (ตามคำอธิบายง่ายๆ ของเราบนนิ้วมือ) ที่ศูนย์กลางของแต่ละอะตอมคือนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนหรือกลุ่มโปรตอนและนิวตรอนและรอบ ๆ ในวงกลมอิเล็กตรอนจะหมุนไปในวงโคจร / ออร์บิทัลอิเล็กทรอนิกส์

แสงยังเรียบง่าย ลืม (ใครจำได้) เกี่ยวกับความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นและสมการของแมกซ์เวลล์ ปล่อยให้แสงเป็นกระแสของลูกบอลโฟตอนที่บินจากไฟฉายตรงเข้าสู่ดวงตาของเรา

ทีนี้ ถ้าเราวางผนังคอนกรีตระหว่างไฟฉายกับตา เราจะไม่เห็นแสงอีกต่อไป และถ้าเราส่องไฟฉายที่ผนังนี้จากด้านของเรา เราก็จะมองเห็น ตรงกันข้าม เพราะลำแสงจะสะท้อนจากคอนกรีตมากระทบตาเรา แต่แสงจะไม่ผ่านคอนกรีต

มีเหตุผลที่จะสมมติว่าลูกบอลโฟตอนถูกสะท้อนและไม่ทะลุผ่านผนังคอนกรีตเพราะกระทบกับอะตอมของสารเช่น คอนกรีต. แม่นยำกว่านั้น พวกมันชนกับอิเล็กตรอน เพราะอิเล็กตรอนหมุนเร็วมากจนโฟตอนไม่ทะลุผ่านวงโคจรของอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียส แต่จะกระดอนและสะท้อนจากอิเล็กตรอน

ทำไมแสงจึงผ่านผนังกระจก แท้จริงแล้ว ยังมีโมเลกุลและอะตอมอยู่ภายในแก้ว และถ้าเราเอาแก้วที่มีความหนาเพียงพอ โฟตอนใดๆ จะต้องชนกับหนึ่งในนั้นไม่ช้าก็เร็ว เพราะมีอะตอมหลายล้านล้านในแก้วแต่ละเม็ด! มันเป็นเรื่องของการที่อิเล็กตรอนชนกับโฟตอน ในกรณีที่ง่ายที่สุด อิเล็กตรอนตัวหนึ่งหมุนรอบโปรตอนหนึ่งตัว (นี่คืออะตอมไฮโดรเจน) และจินตนาการว่าโฟตอนชนกับอิเล็กตรอนนี้

พลังงานทั้งหมดของโฟตอนถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอน กล่าวกันว่าโฟตอนถูกอิเล็กตรอนดูดกลืนและหายไป และอิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพิ่มเติม (ซึ่งโฟตอนนำติดตัวไปด้วย) และจากพลังงานเพิ่มเติมนี้ มันก็จะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรที่สูงขึ้น และเริ่มบินไกลจากนิวเคลียส

ส่วนใหญ่แล้ววงโคจรที่สูงขึ้นจะมีความเสถียรน้อยกว่าและหลังจากนั้นไม่นานอิเล็กตรอนก็จะปล่อยโฟตอนออกมานั่นคือ “ปล่อยให้เขาเป็นอิสระ” และตัวเขาเองจะกลับสู่วงโคจรที่ต่ำอย่างมั่นคง โฟตอนที่ปล่อยออกมาจะบินไปในทิศทางที่สุ่มอย่างสมบูรณ์ จากนั้นจะถูกดูดซับโดยอะตอมอื่นที่อยู่ใกล้เคียง และจะยังคงอยู่ในสารจนกว่าจะแผ่รังสีกลับโดยไม่ได้ตั้งใจ หรือทำให้ผนังคอนกรีตร้อนในที่สุด

และตอนนี้ที่น่าสนใจที่สุด อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมไม่ได้ แต่ละอะตอมของแต่ละคน องค์ประกอบทางเคมีมีชุดระดับหรือวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างดีและแน่นอน อิเล็กตรอนไม่สามารถสูงขึ้นเล็กน้อยหรือลดลงเล็กน้อยได้ มันสามารถกระโดดขึ้นหรือลงได้ในช่วงเวลาที่ชัดเจนเท่านั้น และเนื่องจากระดับพลังงานเหล่านี้ต่างกัน ซึ่งหมายความว่ามีเพียงโฟตอนที่มีพลังงานที่แน่นอนและแม่นยำมากเท่านั้นที่สามารถผลักอิเล็กตรอนขึ้นสู่วงโคจรที่สูงขึ้นได้

ปรากฎว่าถ้าเรามีโฟตอนสามตัวที่บินจาก พลังงานที่แตกต่างกันและสำหรับหนึ่งเท่านั้นที่เท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับของอะตอมหนึ่ง ๆ โฟตอนนี้เท่านั้นที่จะ "ชน" กับอะตอม ส่วนที่เหลือจะบินผ่าน "ผ่านอะตอม" อย่างแท้จริงเพราะพวกเขาจะไม่ สามารถให้อิเล็กตรอนเป็นส่วนที่ชัดเจนของพลังงานสำหรับการเปลี่ยนผ่านไปสู่อีกระดับหนึ่ง

และเราจะพบโฟตอนที่มีพลังงานต่างกันได้อย่างไร?

เหมือนจะมากกว่า ความเร็วมากขึ้นพลังงานยิ่งสูง ทุกคนรู้เรื่องนี้ แต่ท้ายที่สุด โฟตอนทั้งหมดบินด้วยความเร็วเท่ากัน - ความเร็วของแสง!

บางทีแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างและมีพลังมากขึ้น (เช่น หากคุณใช้ไฟฉายแบบทหารแทนไฟฉาย) โฟตอนจะมีพลังงานมากขึ้น? เลขที่ ในลำแสงที่ทรงพลังและสว่างไสว มีโฟตอนจำนวนมากขึ้นเอง แต่พลังงานของโฟตอนแต่ละตัวนั้นเหมือนกันทุกประการกับของโฟตอนที่ลอยออกมาจากไฟฉายที่ตายแล้ว

และที่นี่เรายังต้องจำไว้ว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงกระแสของลูกบอลอนุภาคเท่านั้น แต่ยังเป็นคลื่นด้วย โฟตอนต่างกันมีความยาวคลื่นต่างกัน กล่าวคือ ความถี่ต่าง ๆ ของการแกว่งตามธรรมชาติ และยิ่งความถี่การสั่นสูงขึ้นเท่าใด โฟตอนก็จะยิ่งมีประจุพลังงานมากขึ้นเท่านั้น

โฟตอนความถี่ต่ำ (แสงอินฟราเรดหรือคลื่นวิทยุ) มีพลังงานน้อย โฟตอนความถี่สูง (แสงอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเอกซ์) บรรทุกได้มาก แสงที่มองเห็นอยู่ตรงกลาง นี่คือกุญแจสู่ความโปร่งใสของกระจก! อะตอมทั้งหมดในแก้วมีอิเลคตรอนในวงโคจรที่ต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นเพื่อเคลื่อนที่ไปยังอะตอมที่สูงขึ้น ซึ่งโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงทะลุผ่านกระจกได้โดยไม่ชนกับอะตอม

แต่โฟตอนอัลตราไวโอเลตมีพลังงานที่จำเป็นสำหรับอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่จากวงโคจรไปยังวงโคจร ดังนั้นในกระจกหน้าต่างธรรมดาที่มีแสงอัลตราไวโอเลตจะมีสีดำและทึบแสงอย่างแน่นอน

และที่น่าสนใจคือ พลังงานมากเกินไปก็ไม่ดี พลังงานของโฟตอนจะต้องเท่ากับพลังงานของการเปลี่ยนแปลงระหว่างวงโคจรซึ่งสารใด ๆ โปร่งใสสำหรับความยาวคลื่น (และความถี่) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่โปร่งใสสำหรับผู้อื่นเพราะสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกันและของพวกมัน การกำหนดค่า

ตัวอย่างเช่น คอนกรีตมีความโปร่งใสต่อคลื่นวิทยุและรังสีอินฟราเรด ไม่โปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้และรังสีอัลตราไวโอเลต ไม่โปร่งใสต่อรังสีเอกซ์ แต่จะโปร่งใสอีกครั้ง (ในระดับหนึ่ง) สำหรับรังสีแกมมา

นั่นคือเหตุผลที่ถูกต้องที่จะบอกว่ากระจกโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้ และสำหรับคลื่นวิทยุ และสำหรับรังสีแกมมา แต่ทึบแสงถึงแสงอัลตราไวโอเลต และเกือบทึบแสงอินฟราเรด

และหากเราระลึกไว้ด้วยว่าแสงที่มองเห็นได้นั้นไม่ใช่สีขาวทั้งหมดเช่นกัน แต่ประกอบด้วยความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน (เช่น สี) ของคลื่นจากสีแดงเป็นสีน้ำเงินเข้ม ก็จะชัดเจนขึ้นโดยประมาณว่าเหตุใดวัตถุจึงมีสีและเฉดสีต่างกัน เหตุใดกุหลาบจึงเป็นสีแดง และ สีม่วงเป็นสีน้ำเงิน

ทำไมก๊าซจึงโปร่งใสและของแข็งไม่

อุณหภูมิมีบทบาทชี้ขาดว่าสารที่กำหนดนั้นเป็นของแข็ง ของเหลวหรือก๊าซ ที่ความดันปกติบนพื้นผิวโลกที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียสหรือต่ำกว่านั้น น้ำจะเป็นของแข็ง ที่อุณหภูมิระหว่าง 0 ถึง 100 องศาเซลเซียส น้ำจะเป็นของเหลว ที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส น้ำเป็นก๊าซ ไอน้ำจากหม้อกระจายทั่วทุกทิศทางทั่วห้องครัว จากที่กล่าวมาข้างต้น สมมุติว่ามองทะลุผ่านก๊าซได้ แต่ไม่สามารถมองทะลุผ่านของแข็งได้ แต่ของแข็งบางชนิด เช่น แก้ว มีความโปร่งใสเหมือนอากาศ มันทำงานอย่างไร? ของแข็งส่วนใหญ่จะดูดซับแสงที่ตกลงมา ส่วนหนึ่งของพลังงานแสงที่ดูดซับไปจะทำให้ร่างกายร้อน แสงที่ตกกระทบส่วนใหญ่จะสะท้อน เราจึงมองเห็นร่างกายที่แข็งแรงแต่มองทะลุไม่ได้

ข้อสรุป

สารมีลักษณะโปร่งใสเมื่อแสงควอนตัม (โฟตอน) ผ่านเข้าไปโดยไม่ถูกดูดซับ แต่โฟตอนมีพลังงานต่างกันและแต่ละ สารประกอบเคมีดูดซับเฉพาะโฟตอนที่มีพลังงานที่เหมาะสม แสงที่มองเห็นได้ ตั้งแต่สีแดงไปจนถึงสีม่วง มีช่วงพลังงานโฟตอนที่เล็กมาก และเพียงแค่ช่วงนี้ "ไม่สนใจ" ในซิลิกอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของแก้ว ดังนั้นโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้จึงลอดผ่านกระจกไปโดยแทบไม่ถูกกีดขวาง

คำถามไม่ใช่ว่าทำไมแก้วถึงโปร่งใส แต่ทำไมวัตถุอื่นๆ ถึงไม่โปร่งใส ทั้งหมดเกี่ยวกับระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนอยู่ในอะตอม คุณสามารถจินตนาการว่าเป็นแถวต่างๆ ในสนามกีฬาได้ อิเล็กตรอนมีตำแหน่งเฉพาะในแถวใดแถวหนึ่ง แต่ถ้าเขามีพลังงานเพียงพอ เขาสามารถข้ามไปยังแถวอื่นได้ ในบางกรณี การดูดกลืนโฟตอนตัวใดตัวหนึ่งที่ผ่านอะตอมจะให้พลังงานที่จำเป็น แต่นี่คือสิ่งที่จับได้ ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถวหนึ่งไปอีกแถวหนึ่ง โฟตอนต้องมีปริมาณพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ไม่เช่นนั้น โฟตอนจะบินผ่านไป นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับแก้ว แถวนั้นห่างกันมากจนพลังงานของโฟตอนแสงที่มองเห็นได้นั้นไม่เพียงพอต่อการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนระหว่างพวกมัน

และโฟตอนของสเปกตรัมอัลตราไวโอเลตมีพลังงานเพียงพอ พวกมันจึงถูกดูดซับ และที่นี่ ไม่ว่าคุณจะพยายามมากแค่ไหน ซ่อนตัวอยู่หลังกระจก คุณก็จะไม่ได้ผิวสีแทน ในศตวรรษที่ผ่านมานับตั้งแต่การผลิตแก้ว ผู้คนต่างชื่นชมคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของแก้วทั้งแข็งและโปร่งใสอย่างเต็มที่ ตั้งแต่หน้าต่างที่เปิดรับแสงแดดและปกป้องจากองค์ประกอบต่างๆ ไปจนถึงอุปกรณ์ที่ให้คุณมองไปไกลในอวกาศ หรือสำรวจโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์

กีดกันอารยธรรมสมัยใหม่ของแก้วแล้วจะเหลืออะไรอีก? น่าแปลกที่เราไม่ค่อยนึกถึงความสำคัญ อาจเป็นไปได้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะกระจกที่โปร่งใสยังคงมองไม่เห็นและเราลืมไปว่ามันเป็นอย่างนั้น

มองออกไปนอกหน้าต่าง. ถ้าใส่แว่นก็ใส่ ใช้กล้องส่องทางไกลและอย่าลืมแว่นขยาย คุณเห็นอะไร? ไม่ว่าคุณจะมองอะไร กระจกหลายชั้นจะไม่รบกวนการมองเห็นของคุณ แต่สารที่เป็นของแข็งนั้นมองไม่เห็นในทางปฏิบัติได้อย่างไร?

เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ คุณจำเป็นต้องรู้โครงสร้างของแก้วและธรรมชาติของต้นกำเนิด

ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยเปลือกโลกซึ่งประกอบด้วยซิลิกอนและออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ องค์ประกอบเหล่านี้ก่อตัวเป็นซิลิกอนไดออกไซด์ในปฏิกิริยา ซึ่งเป็นโมเลกุลที่เรียงตัวกันในผลึกผลึกควอตซ์ที่ถูกต้อง โดยเฉพาะทรายที่ใช้ทำแก้วจะมีผลึกควอทซ์สูง คุณอาจรู้ว่าแก้วเป็นของแข็งและไม่ได้ประกอบด้วยควอตซ์ชิ้นเล็กๆ เลย และนี่ไม่ใช่อุบัติเหตุ

ประการแรก ขอบหยาบของเม็ดทรายและข้อบกพร่องขนาดเล็กในโครงสร้างผลึกสะท้อนและกระจายแสงที่ตกกระทบบนพวกมัน แต่ถ้าคุณให้ความร้อนควอทซ์ที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลจะเริ่มสั่นสะเทือนอย่างแรงมากขึ้น ซึ่งจะนำไปสู่การแตกในพันธะระหว่างกัน และตัวคริสตัลเองก็จะกลายเป็นของเหลว เช่นเดียวกับที่น้ำแข็งกลายเป็นน้ำ จริงอยู่โดยมีข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ เมื่อเย็นลงสู่ผลึก โมเลกุลของควอตซ์จะไม่รวมตัวกันอีกต่อไป ในทางตรงกันข้าม เมื่อโมเลกุลสูญเสียพลังงาน ความน่าจะเป็นของการสั่งซื้อจะลดลงเท่านั้น ผลที่ได้คือร่างกายอสัณฐาน ของแข็งที่มีคุณสมบัติเป็นของเหลว ซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่ไม่มีขอบเขตระหว่างผลึก ด้วยเหตุนี้แก้วจึงได้รับความสม่ำเสมอในระดับจุลภาค ตอนนี้แสงส่องผ่านวัสดุเกือบจะไม่มีสิ่งกีดขวาง

แต่สิ่งนี้ไม่ได้อธิบายว่าทำไมแก้วถึงส่งแสง และไม่ดูดซับแสง เช่นเดียวกับของแข็งอื่นๆ คำตอบอยู่ในสเกลที่เล็กที่สุดภายในอะตอม แม้ว่าหลายคนรู้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่หมุนรอบ แต่มีกี่คนที่รู้ว่าอะตอมนั้นเกือบจะเป็นโมฆะที่สมบูรณ์แบบ? ถ้าอะตอมมีขนาดเท่ากับสนามฟุตบอล นิวเคลียสก็จะมีขนาดเท่าเม็ดถั่วที่อยู่ตรงกลางสนาม และอิเล็กตรอนก็จะเป็นเม็ดทรายเล็กๆ แถวหลัง ดังนั้นจึงมีที่ว่างเพียงพอสำหรับการส่องผ่านอย่างอิสระ

คำถามไม่ใช่ว่าทำไมแก้วถึงโปร่งใส แต่ทำไมวัตถุอื่นๆ ถึงไม่โปร่งใส ทั้งหมดเกี่ยวกับระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนอยู่ในอะตอม คุณสามารถจินตนาการว่าเป็นแถวต่างๆ ในสนามกีฬาของเราได้ อิเล็กตรอนมีตำแหน่งเฉพาะในแถวใดแถวหนึ่ง แต่ถ้าเขามีพลังงานเพียงพอ เขาสามารถข้ามไปยังแถวอื่นได้ ในบางกรณี การดูดกลืนโฟตอนตัวใดตัวหนึ่งที่ผ่านอะตอมจะให้พลังงานที่จำเป็น แต่นี่คือสิ่งที่จับได้ ในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแถวหนึ่งไปอีกแถวหนึ่ง โฟตอนต้องมีปริมาณพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ไม่เช่นนั้น โฟตอนจะบินผ่านไป นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับแก้ว แถวนั้นห่างกันมากจนพลังงานของโฟตอนแสงที่มองเห็นได้นั้นไม่เพียงพอต่อการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนระหว่างพวกมัน

และโฟตอนของสเปกตรัมรังสีอัลตราไวโอเลตมีพลังงานเพียงพอ พวกมันจึงถูกดูดซับ และที่นี่ ไม่ว่าคุณจะพยายามแค่ไหน ซ่อนตัวอยู่หลังกระจกก็ไม่เป็นสีแทน ในศตวรรษที่ผ่านมานับตั้งแต่การผลิตแก้ว ผู้คนต่างชื่นชมคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของแก้วทั้งแข็งและโปร่งใสอย่างเต็มที่ ตั้งแต่หน้าต่างที่เปิดรับแสงแดดและปกป้องจากองค์ประกอบต่างๆ ไปจนถึงอุปกรณ์ที่ให้คุณมองไปไกลในอวกาศ หรือสำรวจโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์

คีย์เวิร์ด: โครงสร้างของแก้ว ที่มาของแก้ว วิทยาศาสตร์บนพอร์ทัลการทดลอง บทความทางวิทยาศาสตร์

ตอนเด็กๆ ฉันเคยถามพ่อว่า "ทำไมแก้วถึงให้แสงผ่านได้" เมื่อถึงเวลานั้น ฉันได้เรียนรู้ว่าแสงเป็นกระแสของอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน และสำหรับฉันแล้วฉันก็รู้สึกประหลาดใจที่อนุภาคเล็กๆ เช่นนี้สามารถบินผ่านกระจกหนาๆ ได้ พ่อตอบว่า: "เพราะมันโปร่งใส" ฉันเงียบเพราะเข้าใจว่า "โปร่งใส" เป็นเพียงคำพ้องความหมายของคำว่า "ส่งแสง" และพ่อไม่ทราบคำตอบจริงๆ ไม่มีคำตอบในตำราเรียนเช่นกัน แต่ฉันอยากรู้ ทำไมแก้วถึงให้แสงผ่านได้?

ตอบ

นักฟิสิกส์เรียกแสงไม่เพียง แต่แสงที่มองเห็นได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงรังสีอินฟราเรดที่มองไม่เห็น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา คลื่นวิทยุ วัสดุที่โปร่งใสต่อส่วนหนึ่งของสเปกตรัม (เช่น แสงสีเขียว) อาจทึบแสงกับส่วนอื่นของสเปกตรัม (เช่น แก้วสีแดง ไม่ส่งรังสีสีเขียว) กระจกธรรมดาไม่ส่งรังสีอัลตราไวโอเลต และแก้วควอทซ์มีความโปร่งใสต่อรังสีอัลตราไวโอเลต วัสดุที่โปร่งใสต่อรังสีเอกซ์คือวัสดุที่ไม่ส่งแสงที่มองเห็นได้เลย เป็นต้น

แสงประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอน โฟตอนที่มี "สี" ต่างกัน (ความถี่) มีพลังงานส่วนต่างๆ

โฟตอนสามารถดูดซับโดยสสาร ถ่ายเทพลังงานไปและทำให้ร้อน แสงสามารถสะท้อนจากสสาร เข้าตาเราหลังจากนั้น เราจึงเห็นวัตถุรอบตัว และในความมืดสนิท ที่ซึ่งไม่มีแหล่งกำเนิดแสง เราไม่เห็นอะไรเลย และแสงสามารถทะลุผ่านสารได้ - แล้วเราก็บอกว่าสารนี้โปร่งใส

วัสดุต่างๆ ดูดซับ สะท้อนแสง และส่งผ่านแสงในสัดส่วนที่ต่างกัน ดังนั้นคุณสมบัติทางแสงจึงแตกต่างกัน (สีเข้มกว่าและเบากว่า สีต่างกัน ความมันวาว ความโปร่งใส): เขม่าดูดซับแสงที่ตกถึง 95% และกระจกสีเงินขัดเงาสะท้อน 98% ของแสง สร้างวัสดุจากท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งสะท้อนแสงได้เพียง 45,000 เปอร์เซ็นต์ของแสงที่ตกกระทบ

คำถามเกิดขึ้น: โฟตอนถูกดูดกลืนโดยสสารเมื่อใด สะท้อนเมื่อใด และผ่านสสารเมื่อใด ตอนนี้เราสนใจเฉพาะคำถามที่สาม แต่ในการผ่านเราจะตอบคำถามแรก

ปฏิสัมพันธ์ของแสงและสสารคือปฏิกิริยาของโฟตอนกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนสามารถดูดซับโฟตอนและปล่อยโฟตอนได้ ไม่มีการสะท้อนของโฟตอน การสะท้อนของโฟตอนเป็นกระบวนการสองขั้นตอน: การดูดกลืนโฟตอนและการปล่อยโฟตอนที่เหมือนกันทุกประการในเวลาต่อมา

อิเล็กตรอนในอะตอมสามารถครอบครองได้เพียงบางวงโคจร ซึ่งแต่ละวงมีระดับพลังงานของตัวเอง อะตอมของธาตุเคมีแต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะตามระดับพลังงานของตัวมันเอง กล่าวคือ วงโคจรของอิเล็กตรอนที่อนุญาต (เช่นเดียวกับโมเลกุล ผลึก สถานะการควบแน่นของสสาร: เขม่าและเพชรมีอะตอมของคาร์บอนเหมือนกัน แต่ออปติคัล คุณสมบัติของสารต่างกัน โลหะสะท้อนแสงละเอียด มีความโปร่งใส และอาจเปลี่ยนสีได้ (ทองคำเขียว) หากทำจากฟิล์มบาง กระจกอสัณฐานไม่ส่งรังสีอัลตราไวโอเลต และจากโมเลกุลซิลิกอนออกไซด์เดียวกัน แก้วคริสตัลจะโปร่งใสเป็น อัลตราไวโอเลต).

เมื่อดูดซับโฟตอนของพลังงานบางอย่าง (สี) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปสู่วงโคจรที่สูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม การปล่อยโฟตอน อิเล็กตรอนจะโคจรต่ำลง อิเล็กตรอนสามารถดูดซับและปล่อยโฟตอนใด ๆ ไม่ได้ แต่มีเพียงอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน (สี) สอดคล้องกับความแตกต่างในระดับพลังงานของอะตอมนี้โดยเฉพาะ

ดังนั้น ลักษณะการทำงานของแสงเมื่อสัมผัสกับสาร (สะท้อน ดูดซับ ผ่าน) ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานที่อนุญาตของสารหนึ่งๆ และโฟตอนพลังงานที่มี (เช่น แสงตกบนสารเป็นสีอะไร)

เพื่อให้โฟตอนถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งในอะตอม จะต้องมีพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างของพลังงานของระดับพลังงานสองระดับของอะตอม มิฉะนั้นจะบินผ่าน ในแก้ว ระยะห่างระหว่างระดับพลังงานแต่ละระดับจะมีขนาดใหญ่ และไม่มีโฟตอนของแสงที่มองเห็นเพียงตัวเดียวที่มีพลังงานที่สอดคล้องกัน ซึ่งเพียงพอสำหรับอิเล็กตรอนที่ดูดซับโฟตอนแล้ว เพื่อให้สามารถกระโดดไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้นได้ ดังนั้นแก้วจึงส่งโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ แต่โฟตอนของแสงอัลตราไวโอเลตมีพลังงานเพียงพอ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงดูดซับโฟตอนเหล่านี้ และแก้วจะชะลอการเกิดรังสีอัลตราไวโอเลต ในแก้วควอทซ์ ระยะห่างระหว่างระดับพลังงานที่อนุญาต (ช่องว่างพลังงาน) นั้นยิ่งใหญ่กว่า ดังนั้นโฟตอนจึงไม่เพียงมองเห็นได้เท่านั้น แต่แสงอัลตราไวโอเลตยังมีพลังงานไม่เพียงพอที่อิเล็กตรอนจะดูดซับและไปถึงระดับที่อนุญาต

ดังนั้นโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้จะทะลุผ่านกระจกเพราะพวกมันไม่มีพลังงานที่เหมาะสมในการเคลื่อนอิเล็กตรอนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ดังนั้นแก้วจึงดูเหมือนโปร่งใส

การเพิ่มสิ่งเจือปนลงในแก้วที่มีสเปกตรัมพลังงานต่างกัน จะทำให้กระจกมีสีได้ - แก้วจะดูดซับโฟตอนของพลังงานบางอย่างและส่งโฟตอนที่เหลืออยู่ของแสงที่มองเห็นได้

ในบทความ ฉันพยายามอธิบายว่าทำไมสารบางชนิดจึงโปร่งใสต่อแสงที่มองเห็นได้ ในขณะที่สารบางชนิดไม่โปร่งใส โดยสมบูรณ์แล้ว หัวข้อนี้ซับซ้อนมากและเข้าสู่กระบวนการทางกายภาพอย่างมากมาย ส่งผลกระทบต่อทัศนศาสตร์ เคมี กลศาสตร์ควอนตัม และสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องอื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงสูตรที่สะดุดตาและอุปกรณ์ทางคณิตศาสตร์ที่โกรธจัด ฉันจะตั้งสมมติฐานกว้างๆ อย่างมีสติ โดยละเว้น 9/10x ของสิ่งที่เกิดขึ้นในเรื่องนี้ ในความเป็นจริง .

เป้าหมายของฉันคือการบอกในลักษณะที่ชัดเจนสำหรับเด็กนักเรียนที่ยังไม่ได้เริ่มเรียนฟิสิกส์เช่น สมกับเป็นนักเรียน ป.5 จริงๆ

ดังที่คุณทราบ ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุล และโมเลกุลประกอบด้วยอะตอม อะตอมไม่ซับซ้อน (ในคำอธิบายง่ายๆ ของเรา บนนิ้วมือ™). ที่ศูนย์กลางของแต่ละอะตอมจะมีนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนหรือกลุ่มโปรตอนและนิวตรอนและรอบๆ กลมอิเล็กตรอนหมุนในวงโคจรของอิเล็กตรอน/ออร์บิทัล

แสงยังค่อนข้างง่าย ลืม (ใครจำได้) เกี่ยวกับ corpuscular-wave dualism และสมการของ Maxwell ปล่อยให้แสงเป็นกระแสของลูกบอลโฟตอนที่บินจากไฟฉายเข้าสู่ดวงตาของเราโดยตรง

มีเหตุผลที่จะสมมติว่าลูกบอลโฟตอนถูกสะท้อนและไม่ทะลุผ่านผนังคอนกรีตเพราะกระทบกับอะตอมของสาร กล่าวคือ คอนกรีต. แม่นยำยิ่งขึ้น พวกมันชนอิเล็กตรอนเพราะอิเล็กตรอน หมุนเร็วมากว่าโฟตอนไม่ทะลุผ่านวงโคจรของอิเล็กตรอนไปยังนิวเคลียส แต่จะกระดอนออกไปและสะท้อนออกมาจากอิเล็กตรอนแล้ว

มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับ อย่างไรอิเล็กตรอนชนกับโฟตอน ในกรณีที่ง่ายที่สุด อิเล็กตรอนตัวหนึ่งหมุนรอบโปรตอนหนึ่งตัว (นี่คืออะตอมไฮโดรเจน) และจินตนาการว่าโฟตอนชนกับอิเล็กตรอนนี้

พลังงานทั้งหมดของโฟตอนถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอน กล่าวกันว่าโฟตอนถูกอิเล็กตรอนดูดกลืนและหายไป และอิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพิ่มเติม (ซึ่งโฟตอนนำติดตัวไปด้วย) และจากพลังงานเพิ่มเติมนี้ มันก็กระโดดขึ้นสู่วงโคจรที่สูงขึ้นและเริ่มบิน ไกลขึ้นจากแกน

การดูดกลืนโฟตอนโดยอิเล็กตรอนและการเปลี่ยนผ่านของโฟตอนไปสู่วงโคจรที่สูงขึ้น

ส่วนใหญ่แล้ววงโคจรที่สูงขึ้นจะมีความเสถียรน้อยกว่าและหลังจากนั้นไม่นานอิเล็กตรอนก็จะปล่อยโฟตอนออกมานั่นคือ “ปล่อยเขาไปเถอะ”และจะกลับสู่วงโคจรต่ำที่เสถียร โฟตอนที่ปล่อยออกมาจะบินไปในทิศทางที่สุ่มอย่างสมบูรณ์ จากนั้นจะถูกดูดซับโดยอะตอมอื่นที่อยู่ใกล้เคียง และจะยังคงอยู่ในสารจนกว่าจะแผ่รังสีกลับโดยไม่ได้ตั้งใจ หรือทำให้ผนังคอนกรีตร้อนในที่สุด

และตอนนี้ที่น่าสนใจที่สุด อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมไม่ได้ แต่ละอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดมีชุดระดับหรือวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนและจำกัด อิเล็กตรอนไม่สามารถสูงขึ้นเล็กน้อยหรือลดลงเล็กน้อยได้ มันสามารถกระโดดขึ้นหรือลงได้ในช่วงเวลาที่ชัดเจนเท่านั้น และเนื่องจากระดับพลังงานเหล่านี้ต่างกัน ซึ่งหมายความว่ามีเพียงโฟตอนที่มีพลังงานที่แน่นอนและแม่นยำมากเท่านั้นที่สามารถผลักอิเล็กตรอนขึ้นสู่วงโคจรที่สูงขึ้นได้

ปรากฎว่าถ้าเรามีโฟตอนสามตัวที่บินด้วยพลังงานต่างกัน และสำหรับหนึ่งโฟตอนเท่านั้นที่จะเท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับของอะตอมนั้น ๆ โฟตอนนี้เท่านั้นที่จะ "ชน" กับอะตอม ส่วนที่เหลือจะบินไป แท้จริงแล้ว "ผ่านอะตอม" เพราะพวกเขาจะไม่สามารถแจ้งอิเล็กตรอนของพลังงานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนสำหรับการเปลี่ยนแปลงไปสู่ระดับอื่น

และเราจะพบโฟตอนที่มีพลังงานต่างกันได้อย่างไร?

ดูเหมือนว่ายิ่งความเร็วยิ่งสูงพลังงานยิ่งสูงขึ้นทุกคนรู้เรื่องนี้ แต่โฟตอนทั้งหมดบินด้วยความเร็วเท่ากัน - ความเร็วของแสง!

และที่นี่เรายังต้องจำไว้ว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงกระแสของอนุภาคลูกเท่านั้น แต่ยังเป็นคลื่นด้วย โฟตอนต่างกันมีความยาวคลื่นต่างกัน กล่าวคือ ความถี่ต่าง ๆ ของการแกว่งตามธรรมชาติ และยิ่งความถี่การสั่นสูงขึ้นเท่าใด โฟตอนก็จะยิ่งมีประจุพลังงานมากขึ้นเท่านั้น

โฟตอนความถี่ต่ำ (แสงอินฟราเรดหรือคลื่นวิทยุ) มีพลังงานน้อย โฟตอนความถี่สูง (แสงอัลตราไวโอเลตหรือรังสีเอกซ์) บรรทุกได้มาก แสงที่มองเห็นอยู่ตรงกลาง

นี่คือกุญแจสู่ความโปร่งใสของกระจก!
อะตอมทั้งหมดในแก้วมีอิเลคตรอนในวงโคจรที่ต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นเพื่อเคลื่อนที่ไปยังอะตอมที่สูงขึ้น ซึ่งโฟตอนของแสงที่มองเห็นได้ไม่เพียงพอ ดังนั้นจึงทะลุผ่านกระจกได้โดยไม่ชนกับอะตอม

แต่โฟตอนอัลตราไวโอเลตมีพลังงานที่จำเป็นสำหรับอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่จากวงโคจรไปยังวงโคจร ดังนั้นในกระจกหน้าต่างธรรมดาที่มีแสงอัลตราไวโอเลตจะมีสีดำสนิทและทึบแสง

และที่น่าสนใจคือ พลังงานมากเกินไปก็ไม่ดี พลังงานโฟตอนจะต้องเป็น แม่นยำเท่ากับพลังงานการเปลี่ยนแปลงระหว่างวงโคจรซึ่งสารใด ๆ โปร่งใสสำหรับความยาว (และความถี่) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่โปร่งใสสำหรับผู้อื่นเนื่องจากสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกันและการกำหนดค่าเช่น โมเลกุล

นั่นเป็นเหตุผลที่ถูกต้องที่จะบอกว่ากระจกใส เพื่อแสงที่มองเห็นได้. และสำหรับคลื่นวิทยุ และสำหรับรังสีแกมมา แต่ทึบแสงถึงแสงอัลตราไวโอเลต และเกือบทึบแสงอินฟราเรด