100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему стекло и лед прозрачны? Описание, фото и видео

Введение в Год Науки или Почему стекло прозрачное?

Радоваться не стоит, ведь вы будете Вынуждены узнать в этом году Очень много о современной Науке! Недавно я провел соцопрос – хотите ли бы Вы регулярно узнавать что-то новое о строении окружающего Вас Мира? И был удивлен, когда 83% ! ответило – Конечно же, ДА!

Так что у нас есть еще время до конца года, чтобы сделать несколько Открытий!

Открытие #1

Все материалы состоят из атомов. Строение атома таково, что у него есть ядро, окруженное электронами – и вот эти самые ядра, окруженные электронами, располагаются определенным образом внутри материала. И, оказывается, что атомы находятся слишком близко друг к другу (на расстоянии порядка 3*10-10 метра) и оказывают друг на друга слишком большое влияние. Кроме того, атомов в материале огромное количество – их порядка 10 в 22ой степени штук в одном кубическом сантиметре (10 000 000 000 000 000 000 000 – вот столько). Теоретически можно и нужно (очень хотелось бы) знать точное значение энергии каждого электрона в электрическом поле всех других электронов (в достаточно сложных условиях, ведь их слишком много), – Но решить такую систему уравнений невозможно. Физики придумали как приблизительно описать поведение всех электронов в кристалле (а их еще больше, чем атомов) – придумали Зонную Теорию и разбили все электроны на два класса.

Валентные электроны, связанные с атомами, либо участвующие в образовании химических связей в кристалле имеют меньшее значение энергии. И электроны проводимости (как бы свободные) – способные передвигаться внутри кристалла. С точки зрения современной физики, электроны не могут передвигаться абсолютно свободно, они располагаются на определенных энергетических уровнях. Набор уровней энергии, на которых располагаются валентные электроны – это валентная зона, а набор уровней энергии, на которых располагаются свободные электроны, — это зона проводимости. Кроме того, есть определенные значения энергии, которые электрон не может принимать ни при каких условиях — и все эти значения энергии (энергетические уровни) – являются Запрещенной Зонной.

И вот наконец-то Открытие #1 — оказывается, что все материалы можно разделить на три вида! (расскажите мне, если кто знает, почему об этом не рассказывают в школе. ) Диэлектрики – полупроводники – металлы! Всего лишь нужно определиться какая у данного материала величина запрещенной зоны – если ее нет, то это металл (Огромное количество свободных электронов). Если она совсем небольшая, то это полупроводник (только небольшая часть электронов является свободными и в чистом полупроводнике их как правило недостаточно, для того чтобы проводить ток). И материалы, в которых запрещенная зона большая, — это диэлектрики (они не проводят ток ни при каких условиях).

Если захотеть, то часть электронов из валентной зоны можно перевести в зону проводимости и сильно изменить свойства материала. Для этого нужно или добавить в материал атомы другого типа или использовать какое-либо внешнее воздействие (нагрев, свет и тд), которое сообщит электронам достаточное количество энергии, чтобы они смогли перепрыгнуть всю запрещенную зону. Переход возможен только из валентной зоны в зону проводимости и обратно – в запрещенной зоне электроны располагаться не могут!

Когда то давно Человечество (а точнее только некоторые из людей, потому что остальным было безразлично) узнали, что электричество и магнетизм взаимосвязаны и развили теорию электромагнитного поля и электромагнитных волн. Потратили лет … много). И все вроде рады и довольны и радио работает и телевидение и много чего еще. Но уже более 100 лет назад у Макса Планка появилась гипотеза о том, что свет испускается (или переносится) маленькими порциями или квантами, которые позднее получили название фотоны. Позже Луи де Бройль расширил эту теорию на весь спектр электромагнитных волн. Совместные труды Планка, Эйнштейна, Де Бройля и др. разрушили стройную картину мира и доказали, что любому объекту в нашем мире, обладающему какой-либо энергией можно поставить в соответствие волну с определенными параметрами. И что для нас наиболее важно, любая волна может рассматриваться физиками как частица или объект с определенной энергией.

Читайте так же:
Инстинкт у насекомых

Огромное число реальных экспериментов (и реальных применений) может быть рассчитано и объяснено только используя понятие волны для света или других электромагнитных волн – обычные оптические приборы (объективы, бинокли, микроскопы), а также радио, телевидение и др. НО огромное количество экспериментов и применений объяснимо только с использованием частиц-фотонов, которые обладают определенной энергией. Здесь нет никакого противоречия, просто физические теории пока еще далеки от претензий на Полное описание строения мира.

Посмотрите на спектр солнечного света. Радугой показана та часть, которую мы можем увидеть глазом, меньшая часть (47%). Около 51% спектра закрашено светло серым – это инфракрасное излучение, оно нас греет, но глазом увидеть его уже невозможно.

Мы уже приближаемся к Открытию. Оказывается, что взаимосвязь энергии и длины волны, которую установила Могучая Кучка гласит, что чем больше длина волны, тем меньше энергия частицы-кванта-фотона. И наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия – они обратнопропорциональны. Прекрасная красная стрелка внизу показывает именно Это, она направлена в другую сторону!


А что это там за циферки стоят? Оказывается, что энергию частиц-квантов-фотонов обычно измеряют в тех же единицах, что и самую важную в мире величину – Ширину (величину) Запрещенной Зоны любого материала. Напоминаю — у металлов это 0 (ноль), у диэлектриков более 3,5. А то, что между 0 и 3,5 – это полупроводники. Как мы видим, энергия квантов света в видимой области длин волн (радуга на рисунке) имеет значения от 1,5 до 3,0 — то есть меньше, чем необходимое значения для поглощения в стекле (диэлектрик, а значит запрещенная зона более 3,5), НО может прекрасно поглощаться различными полупроводниками (кремний, германий, арсенид галлия и др.). И в продолжение Открытия можно добавить – что для того, чтобы эффективно поглощать солнечный свет нужно найти или создать такой материал, ширина запрещенной зоны которого, будет позволять поглотить максимальное количество солнечного света.

Теперь можно попытаться ответить, например, на такой вопрос – Почему современные солнечные элементы так малоэффективны?

Почему стекло прозрачное

Почему стекло прощзрачное

Выгляните в окно. Если носите очки, наденьте их. Возьмите бинокль и не забудьте про лупу. Что вы видите? На чтобы вы не смотрели, многочисленные слои стекла вашему зрению мешать не будут. Но как же так получается, что столь твердое вещество практически невидимо?

Почему стекло прозрачное
Чтобы разобраться в этом, надо знать структуру стекла и природу его происхождения.

Начинается все с земной коры, состоящей по большей части из кремния и кислорода. Эти элементы образуют в реакции диоксид кремния, молекулы которого выстраиваются в правильную кристаллическую решетку кварца. Кристаллическим кварцем в частности богат идущий на изготовление стекла песок. Вам наверняка известно, что стекло сплошное и вовсе не состоит из мелких кусочков кварца, и это неспроста.

Читайте так же:
Кто и как продавал Аляску: поясняем все нюансы

Во-первых, грубые края песчинок и микродефекты в кристаллической структуре отражают и рассеивают падающий на них свет. Но если нагреть кварц до высоких температур, молекулы начнут колебаться сильнее, что приведет к разрыву связи между ними. А сам кристалл превратится в жидкость, также как превращается в воду лед. Правда, с единственным отличием: при остывании обратно в кристалл молекулы кварца уже не соберутся. Напротив, по мере того, как молекулы теряют энергию, вероятность упорядочения только падает. В итоге получается аморфное тело. Твердое вещество со свойствами жидкости, для которой характерно отсутствие межкристаллических границ. Благодаря этому, на микроскопическом уровне стекло приобретает однородность. Теперь свет проходит через материал почти беспрепятственно.

Но это не объясняет, почему стекло пропускает свет, а не поглощает его, как остальные твердые тела. Ответ кроется на самом малом масштабе, внутриатомном. Хотя многие в курсе, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг электронов, многим ли известно, что атом едва ли не идеальная пустота? Если бы атом был размером с футбольный стадион, то ядро размером с горошину в центре поля, а электроны были бы крошечными песчинками где-то на задних рядах. Таким образом, место для свободного прохождения света более, чем достаточно.

Почему стекло прозрачное
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 нашем 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.

Почему стекло прозрачное
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.

Почему стекло прозрачное?

Думаем, не нужно лишний раз рассказывать о том, зачем нужны окна. Они делают наши квартиры уютнее и светлее, потому что пропускают свет. Но вы когда-нибудь задумывались, почему мы видим через стекло в окне, но не видим через деревянную или пластиковую раму? В конце концов, оба материала прочны и защищают наш дом от дождя, снега и ветра. Тем не менее древесина и пластик полностью блокируют свет, а стекло позволяет ему беспрепятственно проникать внутрь. Так что же делает стекло прозрачным?

Читайте так же:
Почему из Алькатраса было так тяжело сбежать

Возможно, вы уже слышали, как некоторые ученые и обычные люди пытаются ответить на этот вопрос, заявляя, что дерево – настоящее твердое вещество, а стекло – очень вязкая жидкость. По их словам, атомы в стекле располагаются дальше друг от друга и образованные промежутки позволяют проникать свету. Приверженцы этой теории даже ссылаются на окна многовековых домов, которые часто имеют неравномерную или волнистую поверхность, как на доказательство того, что на протяжении многих лет стеклянное вещество «течет», как патока в холодный день.

На самом же деле стекло вовсе не жидкость. Это особый вид твердого тела – аморфное твердое вещество. В аморфном веществе нет кристаллических решеток, атомы и молекулы располагаются в хаотичном порядке. Поэтому стекло жесткое, как твердые вещества, но имеет разупорядоченное расположение молекул, как в жидкостях. Аморфные тела образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается, – такой процесс называют закалкой.

Стекло во многом похоже на керамику и обладает такими же свойствами: долговечностью, прочностью, хрупкостью, высокой электро- и термостойкостью и отсутствием реакционной способности. Но у оксидного (обычного) стекла, из которого делают листовое стекло, контейнеры и лампочки, есть еще одно важное качество: оно пропускает диапазон видимого света. И для того чтобы понять, как это происходит, нужно внимательно взглянуть на атомную структуру стекла и выяснить, каким образом с ней взаимодействуют фотоны, мельчайшие частицы света.

Об электронах и фотонах

Электроны окружают ядро атома, занимая разные энергетические уровни и подуровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий уровень, электрон должен обладать высокой энергией. И напротив, чтобы переместиться с более высокого на более низкий – электрон должен ее испустить. В любом случае отрицательно заряженная частица меняет уровень, испуская или поглощая фотоны определенной частоты.

Теперь нужно рассмотреть, как двигается фотон, взаимодействующий с твердым веществом. Возможно три сценария:

Несомненно, стекло попадает под последнюю категорию. Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы электрон в стекле переместился на более высокий энергетический уровень. Физики иногда говорят об этом с точки зрения зонной теории.

Согласно ней, энергетические уровни существуют в энергетических зонах, которые разделены зонами запрещенных энергий, где уровни энергии для электронов отсутствуют. Некоторые материалы имеют запрещенные зоны большей величины, чем другие, – от этого и зависят их оптические свойства. Стекло – как раз один из таких материалов, что означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем перейти от одной энергетической зоны к другой и обратно.

На видимый свет (с длиной волны от 400 до 700 нанометров), которому соответствуют цвет индиго, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный, приходится небольшой диапазон энергий фотонов. Этот диапазон не воспринимает диоксид кремния – основной компонент стекла. Следовательно, фотоны видимого света проходят сквозь стекло, не поглощаются и не отражаются, делая материал прозрачным.

На длинах волн меньше видимого света фотоны начинают обладать энергией, которой хватает для перемещения электронов в стекле из одной энергетической зоны в другую. Так, ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол – они используются при изготовлении окон. Именно поэтому стекло непрозрачно для ультрафиолета, точно так же, как дерево – для видимого света.

Почему стекло и лед прозрачны? Описание, фото и видео

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

Читайте так же:
7 самых интересных мест в Италии (видео)

Взгляды обывателя

Андрей Филатов

Twitter VK Facebook [You Tube] Google Plus RSS Feed Home Profile Site

Почему стекло прозрачное ( объяснение на пальцах™)

Незатейливым этот вопрос оказывается лишь на первый взгляд, если быть предельно откровенным, данная тема весьма сложна и уходит в самые дебри физических процессов, затрагивая оптику, химию, физику твердого тела, кристаллографию, квантовую механику и еще множество смежных дисциплин и включает в себя вырвиглазные формулы и зубодробильный матаппарат. В своем описании я сознательно буду делать весьма широкие допущения, опуская 9/10х того, что происходит в веществе на самом деле.
Не забывайте, описание какого–то физического явления на пальцах™ специально дается в очень простых терминах и аналогиях, чтобы стало понятно школьнику, который даже еще не начал изучать физику, т.е. буквально пятикласснику.

Итак, как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атомы устроены не сложно (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 довольно прост. Для начала забудем (кто помнил) про корпускулярно–волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет обычным 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 не проходят сквозь бетонную стену потому, что ударяются об атомы вещества, т.е. бетона и отражаются назад. 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 находятся 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!

А дело все в том, как конкретно 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, покуда 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 детерминированный (т.е. "четкий" такой, "конкретный") набор уровней или орбит. Электрон не может чуть–чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне определенный 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.

Читайте так же:
Зачем раньше крахмалили белье?

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 все же придется 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 в атомах стекла с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло — совершенно черное и совсем 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, т.е. молекул.

Например бетон прозрачен для радиоволн, и немного для 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 по этому 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. Но, это уже тема для другого поста, объясняющего сложные физические явления простым языком аналогий на пальцах™.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию