Чому світло проходить крізь скло? Чому скло прозоре на пальцях™

Для початку, скажімо, кілька слів про тверді тіла, рідини і гази. У твердому тілі молекули щільно притягнуті одна до одної. Вони буквально злиплися разом.

Ось чому тверді тіламають кінцеву форму, наприклад м'яча чи кубика. Але хоча молекули упаковані дуже щільно, вони все ж таки злегка вібрують біля свого середнього становища (ніщо в природі не стоїть на місці).

Молекули в рідинах та газах

У рідинах молекули з'єднані один з одним більш вільно. Вони ковзають та зміщуються відносно один одного. Тому рідини текучи і займають весь обсяг судини, в яку їх наливають. У газах молекули не пов'язані друг з одним. Вони з високими швидкостямирозлітаються у всіх напрямках. Середня швидкість польоту молекули водню за температури 0 градусів Цельсія становить 5600 кілометрів на годину. Між молекулами газу залишається безліч вільного місця. Ви можете пройти через газову хмару і навіть не помітити це.

Матеріали на тему:

Як роблять ялинкові іграшки?

Чому гази прозорі, а тверді тіла немає?

На підставі сказаного вище припустимо, що крізь гази можна бачити, а крізь тверді тіла це неможливо. Але деякі тверді речовини, наприклад, такі як скло, настільки ж прозорі, як повітря. Як це виходить? Більшість твердих речовин поглинає світло, що падає на них. Частина поглиненої світлової енергії йде на нагрівання тіла. Більша частинападаючого світла відбивається. Тому бачимо тверде тіло, але з можемо бачити крізь нього.

Матеріали на тему:

Чому скло прозоре?

Молекули скла поглинають фотони світла, що падає на нього. У той самий момент молекули скла випускають у тому напрямі такі ж фотони. Скло поглинає фотони і випромінює в тому ж напрямку такі ж фотони. Ось таким чином скло виявляється прозорим, тобто фактично воно пропускає світло. З водою та іншими практично безбарвними рідинами відбувається та сама історія. Більшість падаючого світла переноситься молекулами. Деякі фотони поглинаються, і їхня енергія витрачається на нагрівання рідини.

У газах молекули перебувають у далеких відстанях друг від друга. Промені світла можуть пройти крізь газову хмару, не зустрівши на своєму шляху жодної молекули. Так відбувається з більшістю фотонів сонячного світла, що проходять через земну атмосферу. Світло при зіткненні із молекулами газу розсіюється. При зіткненні білого світла з молекулою він розщеплюється у колірний діапазон. Тому, мабуть, гази земної атмосферивиглядають блакитними. Попри це вони вважаються прозорими.

Матеріали на тему:

Склад атмосфери Землі, розмір молекули повітря

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Що таке венеціанське скло та…
Чому людина позіхає і чому…
Чому людина не впізнає свого…

Як відомо, всі тіла складаються із молекул, а молекули – з атомів. Атоми влаштовані теж не складно (у нашому, простецькому описі на пальцях). У центрі кожного атома знаходиться ядро, що складається з протона, або групи протонів і нейтронів, а навколо круги обертаються електрони на своїх електронних орбітах/орбіталях.

Світло теж влаштоване просто. Забудемо (хто пам'ятав) про корпускулярно-хвильовий дуалізм та рівняння Максвелла, нехай світло буде потоком кульок-фотонів, що летить з ліхтарика прямо до нас у око.

Тепер, якщо ми поставимо між ліхтариком та оком бетонну стінку – ми більше не побачимо світла. А якщо посвітимо на цю стінку ліхтариком з нашого боку – навпаки побачимо, бо промінь світла відіб'ється від бетону, і потрапить до нас у око. Але крізь бетон світло не піде.

Логічно припустити, що кульки-фотони відбиваються і проходять крізь бетонну стіну оскільки б'ються об атоми речовини, тобто. бетону. Точніше б'ються об електрони, бо електрони обертаються так швидко, що фотон не проникає крізь електронну орбіталь до ядра, а відскакує і відбивається від електрона.

Чому ж світло проходить крізь скляну стіну? Адже всередині скла теж молекули і атоми, і якщо взяти досить товсте скло, будь-який фотон рано чи пізно має зіткнутися з якимось із них, адже атомів трильйони в кожній крупинці скла! Вся річ у тому, як відбуваються зіткнення електронів із фотонами. Візьмемо найпростіший випадок, один електрон обертається навколо одного протона (це атом водню) і уявімо, що по цьому електрону шарахнуло фотоном.

Уся енергія фотона перейшла електрону. Говорять, що фотон поглинувся електроном і зник. А електрон отримав додаткову енергію (яку ніс із собою фотон) і від цієї додаткової енергії він підскочив на вищу орбіту і почав літати далі від ядра.

Найчастіше вищі орбіти менш стійкі, і за якийсь час, електрон випустить цей фотон, тобто. «Відпустить його на волю», а сам повернеться на свою низьку стійку орбіту. Випущений фотон полетить у випадковий бік, потім буде поглинений іншим, сусіднім атомом, і так і залишиться блукати в речовині, поки випадково не випромінюється назад, або не піде в кінцевому підсумку на нагрівання бетонної стіни.

А тепер найцікавіше. Електронні орбіти не можуть знаходитися будь-де навколо ядра атома. У кожного атома кожного хімічного елементає чітко детермінований та кінцевий набір рівнів або орбіт. Електрон не може трохи піднятися вище або трохи опуститися нижче. Він може перескочити лише на цілком чіткий проміжок вгору чи вниз, оскільки ці рівні різняться енергіями, це означає, що тільки фотон з певною і вельми точно заданою енергією може підштовхнути електрон більш високу орбіту.

Виходить, що якщо у нас летять три фотони з різними енергіями, і тільки в одного вона точно дорівнює різниці енергій між рівнями якогось конкретного атома, лише цей фотон «зіткнеться» з атомом, інші пролетять повз, у буквальному сенсі «крізь атом», бо не зможуть повідомити електрону чітко задану порцію енергії для переходу на інший рівень.

А як ми можемо знайти фотони із різними енергіями?

Начебто чим більше швидкість, Тим вище енергія, це знає кожен, але всі фотони летять з однією і тією ж швидкістю – швидкістю світла!

Може бути чим яскравіше і потужніше джерело світла (наприклад, якщо взяти армійський прожектор, замість ліхтарика), тим більше енергії буде у фотонів? Ні. У потужному та яскравому промені прожектора просто більша кількість самих штук фотонів, але енергія у кожного окремого фотона така сама, як і у тих, що вилітають з кишенькового ліхтарика.

І ось тут нам доведеться все ж таки згадати, що світло це не тільки потік кульок-часток, але ще й хвиля. Різні фотони різняться довжиною хвилі, тобто. різною частотою своїх коливань. І що вище частота коливань, то потужніший заряд енергії несе фотон.

Низькочастотні фотони (інфрачервоного світла чи радіохвилі) несуть мало енергії, високочастотні (ультрафіолетове світло чи рентгенівське випромінювання) – багато. Видимий світло – десь посередині. Отут і криється розгадка прозорості скла! Всі атоми в склі мають електрони на таких орбітах, що для переходу на більш високу їм необхідний поштовх енергії, якої мало фотонів видимого світла. Тому він проходить крізь скло, практично не стикаючись із його атомами.

А ось ультрафіолетові фотони цілком несуть енергію, необхідну для переходу електронів з орбіту на орбіту, тому в ультрафіолетовому світлі звичайне віконне скло абсолютно чорне і непрозоре.

Причому цікаво. Занадто багато енергії – теж погано. Енергія фотона повинна бути точно дорівнює енергії переходу між орбітами, від чого будь-яка речовина прозора для одних довжин (і частот) електромагнітних хвиль, і не прозоро для інших, тому що всі речовини складаються з різних атомів та їх конфігурацій.

Наприклад, бетон прозорий для радіохвиль, та інфрачервоного випромінювання, непрозорий для видимого світла та ультрафіолету, не прозорий так само для рентгена, але знову прозорий (якоюсь мірою) для гамма-випромінювання.

Саме тому правильно говорити, що скло є прозорим для видимого світла. І для радіохвиль. І для гамма-випромінювання. Але непрозоро для ультрафіолету. І майже не прозоро для інфрачервоного світла.

А якщо ще згадати, що видиме світло теж не все біле, а складається з різних довжин (тобто кольорів) хвиль від червоного до темно-синього, стане приблизно зрозуміло, чому предмети мають різні кольори та відтінки, чому червоні троянди, а фіалки – блакитні.

Чому гази прозорі, а тверді тіла немає?

Температура відіграє вирішальну роль у тому, чи дана речовина буде твердою, рідкою або газоподібною. При нормальному тиску на землі при температурі 0 градусів Цельсія і нижче вода – тверде тіло. При температурах між 0 та 100 градусами Цельсія вода – рідина. За температури вище 100 градусів Цельсія вода – газ. Пара з каструлі поширюється кухні рівномірно на всі боки. На підставі сказаного вище припустимо, що крізь гази можна бачити, а крізь тверді тіла це неможливо. Але деякі тверді речовини, наприклад, такі як скло, настільки ж прозорі, як повітря. Як це виходить? Більшість твердих речовин поглинає світло, що падає на них. Частина поглиненої світлової енергії йде на нагрівання тіла. Більшість падаючого світла відбивається. Тому бачимо тверде тіло, але з можемо бачити крізь нього.

Висновки

Речовина виглядає прозорою, коли кванти світла (фотони) проходять крізь неї, не поглинаючись. Але фотони мають різну енергію, а кожне хімічне з'єднанняпоглинає лише ті фотони, які мають потрібну йому енергію. На видиме світло – від червоного до фіолетового – приходиться дуже невеликий діапазон енергій фотонів. І саме цим діапазоном «не цікавиться» діоксид кремнію, основний компонент скла. Тому фотони видимого світла майже безперешкодно проходять крізь скло.

Питання не в тому, чому скло прозоре, а в тому, чому не є прозорими інші об'єкти. Вся справа в енергетичних рівнях, де знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх у вигляді різних рядів на стадіоні. Електрон має певне місце на одному з рядів. Однак, якщо в нього достатньо енергії, він може перестрибнути в інший ряд. У ряді випадків поглинання одного з фотонів, що проходять через атом, якраз і забезпечить необхідну енергію. Але тут проблема. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон повинен мати строго певну кількість енергії, інакше він пролетить повз. Так і відбувається зі склом. Ряди так далеко один від одного, що енергії фотона видимого світла недостатньо для переміщення електронів між ними.

А у фотонів ультрафіолетового спектру енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут уже, як не намагайся, сховавшись за склом, не загориш. За століття, що минуло з отримання скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно і твердим, і прозорим. Від вікон, що впускають денне світло, і захищають від стихії до приладів, що дозволяють заглядати далеко в космос, або спостерігати мікроскопічні світи.

Позбавите сучасну цивілізацію скла і що від неї залишиться? Як не дивно, ми рідко замислюємося про те, наскільки воно важливе. Напевно, так відбувається тому, що будучи прозорим, скло залишається непомітним, і ми забуваємо про те, що воно є.

Вигляньте у вікно. Якщо носите окуляри, надягніть їх. Візьміть бінокль і не забудьте про лупу. Що ви бачите? На щоб ви не дивилися, численні шари скла вашому зору не будуть заважати. Але як же так виходить, що така тверда речовина практично невидима?

Щоб розібратися в цьому, треба знати структуру скла та природу її походження.

Починається все з земної кори, що складається здебільшого з кремнію та кисню. Ці елементи утворюють реакції діоксид кремнію, молекули якого вишиковуються в правильну кристалічну решітку кварцу. Кристалічним кварцом зокрема багатий пісок, що йде на виготовлення скла. Вам, напевно, відомо, що скло суцільне і зовсім не складається з дрібних шматочків кварцу, і це недарма.

По-перше, грубі краї піщин і мікродефекти в кристалічній структурі відображають і розсіюють світло, що падає на них. Але якщо нагріти кварц до високих температур, молекули почнуть сильніше коливатися, що призведе до розриву зв'язку між ними. А сам кристал перетвориться на рідину, також як перетворюється на воду лід. Щоправда, з єдиною відмінністю: при остиганні назад у кристал молекули кварцу вже не зберуться. Навпаки, у міру того, як молекули втрачають енергію, ймовірність упорядкування лише падає. У результаті виходить аморфне тіло. Тверда речовина із властивостями рідини, для якої характерна відсутність міжкристалічних меж. Завдяки цьому, на мікроскопічному рівні скло набуває однорідності. Тепер світло проходить через матеріал майже безперешкодно.

Але це пояснює, чому скло пропускає світло, а чи не поглинає його, як інші тверді тіла. Відповідь криється на найменшому масштабі, внутрішньоатомному. Хоча багато хто в курсі, що атом складається з ядра і електронів, що обертаються навколо, чи багатьом відомо, що атом чи не ідеальна порожнеча? Якби атом був розміром із футбольний стадіон, то ядро розміром із горошину в центрі поля, а електрони були б крихітними 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 є прозорими інші об'єкти. Вся справа в енергетичних рівнях, де знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх у вигляді різних рядів на нашому стадіоні. Електрон має певне місце на одному з рядів. Однак, якщо в нього достатньо енергії, він може перестрибнути в інший ряд. У ряді випадків поглинання одного з фотонів, що проходять через атом, якраз і забезпечить необхідну енергію. Але тут проблема. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон повинен мати строго певну кількість енергії, інакше він пролетить повз. Так і відбувається зі склом. Ряди так далеко один від одного, що енергії фотона видимого світла недостатньо для переміщення електронів між ними.

А у фотонів ультрафіолетового спектру енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут уже не намагайся, сховавшись за склом, не загориш. За століття, що минуло з отримання скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно і твердим, і прозорим. Від вікон, що впускають денне світло, і захищають від стихії до приладів, що дозволяють заглядати далеко в космос, або спостерігати мікроскопічні світи.

Ключові слова: структура скла,походження скла,Наука на порталі Експеримент,наукові статті

Будучи дитиною, я одного разу спитав батька: "Чому скло пропускає світло?" На той час я дізнався, що світло - це потік частинок, які називаються фотонами, і мені здавалося дивним, як така маленька частка може пролітати крізь товсте скло. Батько відповів: "Бо воно прозоре". Я промовчав, тому що розумів, що "прозоре" є лише синонім виразу "пропускає світло", а батько насправді не знає відповіді. У шкільних підручниках відповіді теж не було, а хотілося б знати. Чому ж скло пропускає світло?

Відповідь

Світлом фізики називають не тільки видиме світло, а й невидиме інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське проміння, гамма-випромінювання, радіохвилі. Матеріали, прозорі для однієї частини спектру (наприклад, для зеленого світла), можуть бути непрозорими для інших частин спектру (червоне скло, наприклад, не пропускає зелених променів). Звичайне скло не пропускає ультрафіолетове випромінювання, а кварцове скло прозоре для ультрафіолету. Для рентгенівських променів прозорими є матеріали, які зовсім не пропускають видиме світло. І т.д.

Світло складається з частинок, які називаються фотонами. Фотони різного кольору (частоти) несуть різні порції енергії.

Фотони можуть поглинатися речовиною, передаючи їй енергію та нагріваючи (добре відомо всім, хто засмагав на пляжі). Світло може відбиватися від речовини, потрапляючи після нас у вічі, тому ми бачимо навколо себе предмети, а повній темряві, де немає джерел світла, ми нічого не бачимо. І світло може проходити крізь речовину – і тоді ми говоримо, що ця речовина є прозорою.

Різні матеріали в різних пропорціях поглинають, відображають і пропускають світло і тому розрізняються за своїми оптичними властивостями (темніші і світліші, різного кольору, блиску, прозорості): сажа поглинає 95% падаючого на неї світла, а відполіроване срібне дзеркало відображає 98% світла. Створено матеріал на основі вуглецевих нанотрубок, який відображає лише 45 тисячних відсотків падаючого світла.

Постають питання: коли фотон поглинається речовиною, коли відбивається і коли проходить крізь речовину? Нас зараз цікавить лише третє питання, але принагідно ми відповімо на перше.

Взаємодія світла та речовини – це взаємодія фотонів з електронами. Електрон може поглинати фотон і може випромінювати фотон. Немає жодного відображення фотонів. Відображенням фотонів називають двоступінчастий процес: поглинання фотона і подальше випромінювання такого самого фотона.

p align="justify"> Електрони в атомі здатні займати лише певні орбіти, кожній з яких відповідає свій енергетичний рівень. Атом кожного хімічного елемента характеризується своїм набором енергетичних рівнів, тобто дозволених орбіт електронів (те ж відноситься і до молекул, кристалів, конденсованого стану речовини: в сажі та алмазі одні і ті ж атоми вуглецю, але оптичні властивості речовин різні; метали, чудово що відображають світло, є прозорими і навіть змінюють колір (зелене золото), якщо з них зробити тонкі плівки, аморфне скло не пропускає ультрафіолет, а з тих же молекул оксиду кремнію кристалічне скло прозоро для ультрафіолету).

Поглинувши фотон певної енергії (колір) електрон переходить більш високу орбіту. Навпаки, випустивши фотон, електрон переходить на нижчу орбіту. Електрони можуть поглинати та випускати не будь-які фотони, а тільки ті, енергія яких (колір) відповідають різниці енергетичних рівнів саме даного атома.

Таким чином, як поведеться світло при зустрічі з речовиною (відобразиться, поглинеться, пройде наскрізь) залежить від того, які дозволені енергетичні рівні даної речовини і яку енергію мають фотони (тобто якого кольору світло, що падає на речовину).

Щоб фотон поглинувся одним з електронів в атомі, він повинен мати строго певну енергію, що відповідає різниці енергій будь-яких двох енергетичних рівнів атома, інакше він пролетить повз. У склі відстань між окремими енергетичними рівнями велика, і жоден фотон видимого світла немає відповідної енергії, якої вистачило б, щоб електрон, поглинувши фотон, зміг перестрибнути більш високий енергетичний рівень. Тому скло пропускає фотони видимого світла. А ось фотони ультрафіолетового світла мають достатню енергію, тому електрони поглинають фотони і скло затримує ультрафіолет. У кварцовому склі відстань між дозволеними енергетичними рівнями (енергетична щілина) ще більша і тому фотони не тільки видимого, але й ультрафіолетового світла не мають достатньої енергії для того, щоб електрони могли їх поглинути і перейти на верхні дозволені рівні.

Отже, фотони видимого світла пролітають крізь скло, тому що вони не мають відповідної енергії для переходу електронів на більш високий енергетичний рівень, і тому скло бачиться прозорим.

Додаючи в скло домішки, що мають інший енергетичний спектр, його можна зробити кольоровим - скло поглинатиме фотони певних енергій і пропускатиме інші фотони видимого світла.

У статті я намагаюся розповісти, чому деякі речовини є прозорими для видимого світла, а інші ні. Повністю ця тема - дуже складна і йде в самі нетрі фізичних процесів, торкаючись оптику, хімію, квантову механіку і ще безліч суміжних дисциплін і включає вирвиглазние формули і зубодробильний матапарат. Я свідомо робитиму дуже широкі припущення, опускаючи 9/10х того, що відбувається в речовині насправді .

Моя мета - розповісти те щоб стало зрозуміло школяру, який навіть ще почав вивчати фізику, тобто. буквально п'ятикласнику.

Отже, як відомо, всі тіла складаються з молекул, а молекули – з атомів. Атоми влаштовані не складно (у нашому, простецькому описі на пальцях™). У центрі кожного атома знаходиться ядро, що складається з протону, або групи протонів та нейтронів, а навколо, по колуобертаються електрони на електронних орбітах/орбіталях.

Світло теж влаштоване досить просто. Забудемо (хто пам'ятав) про корпускулярно-хвильовий дуалізм і рівняння Максвелла, нехай світло буде потоком кульок-фотонів, що летить з ліхтарика прямо до нас в око.

Логічно припустити, що кульки–фотони відбиваються і проходять крізь бетонну стіну оскільки б'ються об атоми речовини, тобто. бетону. Точніше б'ються об електрони, бо електрони обертаються так швидкоЩо фотон не проникає крізь електронну орбіталь до ядра, а відскакує і відбивається вже від електрона.

Чому ж світло проходить крізь скляну стіну? Адже всередині скла теж молекули і атоми, і якщо взяти досить товсте скло, будь-який фотон рано чи пізно повинен зіткнутися з якимось із них, адже атомів же трильйони в кожній крупинці скла!

Вся справа в тому, яквідбуваються зіткнення електронів із фотонами. Візьмемо найпростіший випадок, один електрон обертається навколо одного протона (це атом водню) і уявімо, що по цьому електрону шарахнуло фотоном.

Поглинання фотона електроном та перехід останнього на вищу орбіту

Найчастіше вищі орбіти менш стійкі, і через час, електрон випустить цей фотон, тобто. "відпустить його на волю"а сам повернеться на свою низьку стійку орбіту. Випущений фотон полетить у випадковий бік, потім буде поглинений іншим, сусіднім атомом, і так і залишиться блукати в речовині, поки випадково не випромінюється назад, або не піде в кінцевому підсумку на нагрівання бетонної стіни.

А тепер найцікавіше. Електронні орбіти не можуть знаходитися будь-де навколо ядра атома. Кожен атом кожного хімічного елемента має чітко детермінований і кінцевий набір рівнів або орбіт. Електрон не може трохи піднятися вище або трохи опуститися нижче. Він може перескочити лише на цілком чіткий проміжок вгору чи вниз, оскільки ці рівні різняться енергіями, це означає, що тільки фотон з певною і вельми точно заданою енергією може підштовхнути електрон більш високу орбіту.

Виходить, що якщо у нас летять три фотони з різними енергіями, і тільки в одного вона точно дорівнює різниці енергій між рівнями якогось конкретного атома, лише цей фотон "зіткнеться" з атомом, інші пролетять повз, у буквальному сенсі "крізь атом" , Бо не зможуть повідомити електрону чітко задану порцію енергії для переходу на інший рівень.

А як ми можемо знайти фотони із різними енергіями?

Начебто чим більше швидкість, тим вище енергія, це знає кожен, але ж всі фотони летять з однією і тією ж швидкістю - швидкістю світла!

І ось тут нам доведеться все-таки згадати, що світло це не тільки потік кульок-часток, але ще й хвиля. Різні фотони різняться довжиною хвилі, тобто. різною частотою своїх коливань. І що вище частота коливань, то потужніший заряд енергії несе фотон.

Отут і криється розгадка прозорості скла!
Всі атоми в склі мають електрони на таких орбітах, що для переходу на більш високу їм необхідний поштовх енергії, якої мало фотонів видимого світла. Тому він проходить крізь скло, практично не стикаючись із його атомами.

А ось ультрафіолетові фотони - цілком собі несуть енергію, необхідну для переходу електронів з орбіту на орбіту, тому в ультрафіолетовому світлі звичайне шибка - абсолютно чорне і непрозоре.

Причому цікаво. Занадто багато енергії – теж погано. Енергія фотона має бути в точностідорівнює енергії переходу між орбітами, від чого будь-яка речовина прозоро для одних довжин (і частот) електромагнітних хвиль, і не прозоро для інших, тому що всі речовини складаються з різних атомів та їх конфігурацій, тобто. молекул.

Наприклад бетон прозорий для радіохвиль, та інфрачервоного випромінювання, непрозорий для видимого світла та ультрафіолету, не прозорий так само для рентгена, але знову прозорий (якоюсь мірою) для гамма-випромінювання.

Саме тому правильно говорити, що скло прозоре для видимого світла. І для радіохвиль. І для гамма-випромінювання. Але непрозоро для ультрафіолету. І майже не прозоро для інфрачервоного світла.