Прозрачным как стекло и пропускает. Почему стекло прозрачное на пальцах™. Нужно ли защищаться

07.02.2017 15:49 850

Почему стекло прозрачное.

Стекло, это очень важный материал, который человек использует в разных сферах жизни. Из него делают окна, посуду, зеркала, линзы для очков и т.д...

Вот представьте себе: возвращаетесь вы из школы и обнаруживаете, что в окнах вашей квартиры нет стёкол. Исчезла также из дома и вся стеклянная посуда. Вы хотите посмотреть на своё удивлённое лицо в зеркало, но и его не оказалось на месте... Да и многих других полезных вещей у нас бы сейчас не было, если бы в своё время не появилось стекло.

В нашей статье, мы расскажем вам историю стекла, как оно вошло в нашу жизнь и почему оно такое прозрачное. Кто же изобрел этот полезный, хрупкий материал? Как ни странно - никто. Дело в том, что стекло было создано самой природой.

Когда-то давным-давно, еще за много миллионов лет до появления на земле первого человека, стекло уже существовало. А образовалось оно из сначала раскалённой, а затем остывшей лавы, вырвавшейся на поверхность из вулканов. Это природное стекло называется сейчас обсидианом.

Однако остеклять, например, окна, им было нельзя. И не только потому, что окон тогда ещё не было, но и потому, что природное стекло имеет грязно-серый цвет, и через него абсолютно ничего не видно.

Так как же появилось стекло, пригодное для употребления,то есть прозрачное? Может быть люди научились его отмывать? Увы, природное стекло грязное не снаружи, а изнутри, поэтому здесь не помогут никакие даже самые современные моющие средства...

О том, как люди впервые сделали стекло, приближённое к современному, существует несколько легенд. Все они очень однообразны и их смысл сводится к тому, что путешественники, не имея под рукой камней для очага, использовали вместо них куски природной соды.

Причем, происходило это в пустыне или на берегу водоёма, там, где обязательно был песок. И вот под воздействием огня сода и песок плавились и соединялись вместе, образуя стекло. Люди долгое время верили в эти легенды. Но совсем недавно выяснилось, что всё это неправда, потому что жара исходящего от костра, для такого сплава недостаточно.

Производить стекло своими руками люди начали более 5-ти тысяч лет назад, было это в Египте. Правда, и тогда оно прозрачным не было, а из-за того, что в песке попадались посторонние примеси, имело зелёный или синий оттенок. Но постепенно на Востоке научились избавляться от этих примесей. Судя по раскопкам, первыми стеклянными изделиями были бусы.

Чуть позже стеклом стали покрывать посуду. А на то, чтобы научиться делать её полностью из стекла, чекловеку потребовалось ещё 2 тысячи лет. Секрет производства стекла был в те времена настолько ценен, что правительство Венеции в начале ХIII века для его выяснения направило на восток специальных людей.В результате, венецианцы этот секрет раздобыли.

Они наладили собственное производство и смогли сделать стекло ещё более прозрачным, догадавшись добавлять в его состав немного свинца. Сначала стекло изготавливалось в самой Венеции. Местные власти очень боялись, что кто-то узнает секрет производства, поэтому район, где эти мастерские располагались, был всегда оцеплён солдатами.

Никто из рабочих занятых производством стекла не имел права покинуть пределы города. За любую попытку это сделать к смертной казни приговаривался не только сам стеклодел, но и вся его семья. В конце концов было решено перенести мастерские на остров Мурано. Оттуда и сбежать было труднее, и попасть туда было тоже сложно.

В 1271 году венецианские шлифовщики научились делать из стекла линзы, которые сначала особым спросом не пользовались. Но в 1281 году догадались вставлять их в специально разработанные оправы.Так появились первые очки. Они стоили сначала настолько дорого, что являлись прекрасным подарком даже для королей и императоров.

В конце 15 века, когда в Венеции научились делать из стекла посуду, муранские (названные так в честь острова где их производили) изделия стали пользоваться во всём мире такой популярностью, что для их доставки пришлось строить дополнительные корабли.

Но усовершенствование стекла продолжалось и позже. Пришло время, и люди придумали покрывать его специальным составом – амальгамой, так появились зеркала.

В России производство стекла началось тысячу лет назад, в небольших мастерских. А в 1634 году под Москвой был построен первый стекольный завод.

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?

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.

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.

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.

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.

Ключевые слова: структура стекла,происхождение стекла,Наука на портале Эксперимент,научные статьи

Для начала, скажем, несколько слов о твердых телах, жидкостях и газах. В твердом теле молекулы плотно притянуты друг к другу. Они буквально слиплись вместе.

Вот почему твердые тела имеют конечную форму, например мяча или кубика. Но хотя молекулы упакованы очень плотно, они все же слегка вибрируют около своего среднего положения (ничто в природе не стоит на месте).

Молекулы в жидкостях и газах

В жидкостях молекулы соединены друг с другом более свободно. Они скользят и смещаются относительно друг друга. Поэтому жидкости текучи и занимают весь объем сосуда, в который их наливают. В газах молекулы совершенно не связаны друг с другом. Они с высокими скоростями разлетаются во всех направлениях. Средняя скорость полета молекулы водорода при температуре 0 градусов Цельсия составляет 5600 километров в час. Между молекулами газа остается масса свободного места. Вы можете пройти через газовое облако и даже не заметить этого.

Материалы по теме:

Как делают елочные игрушки?

Почему газы прозрачны а твердые тела нет?

Температура играет решающую роль в том, будет ли данное вещество твердым, жидким или газообразным. При нормальном давлении на поверхности земли при температуре 0 градусов Цельсия и ниже вода - твердое тело. При температурах между 0 и 100 градусами Цельсия вода - жидкость. При температуре выше 100 градусов Цельсия вода - газ. Пар из кастрюли распространяется по кухне равномерно во все стороны.

На основании вышесказанного предположим, что сквозь газы можно видеть, а сквозь твердые тела это невозможно. Но некоторые твердые вещества, например такие, как стекло, столь же прозрачны, как воздух. Как это получается? Большинство твердых веществ поглощает падающий на них свет. Часть поглощенной световой энергии уходит на нагревание тела. Большая часть падающего света отражается. Поэтому мы видим твердое тело, но не можем видеть сквозь него.

Материалы по теме:

Почему стекло прозрачно?

Молекулы стекла поглощают фотоны падающего на него света. В тот же момент молекулы стекла испускают в том же направлении такие же фотоны. Стекло поглощает фотоны и испускает в том же направлении такие же фотоны. Вот таким образом стекло оказывается прозрачным, то есть фактически оно пропускает свет. С водой и другими практически бесцветными жидкостями происходит та же история. Большая часть падающего света переносится молекулами. Некоторые фотоны поглощаются, и их энергия расходуется на нагревание жидкости.

В газах молекулы находятся на дальних расстояниях друг от друга. Лучи света могут пройти сквозь газовое облако, не встретив на своем пути ни одной молекулы. Так происходит с большинством фотонов солнечного света, проходящих через земную атмосферу. Свет при столкновении с молекулами газа рассеивается. При столкновении белого света с молекулой он расщепляется в цветовой спектр. Поэтому, видимо, газы земной атмосферы выглядят голубыми. Несмотря на это, они считаются прозрачными.

Материалы по теме:

Состав атмосферы Земли, размер молекулы воздуха

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

• Что такое венецианское стекло и…
• Почему человек зевает и почему…
• Почему человек не узнаёт свой…

Оптические свойства стекол связаны с характерными особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Именно оптические свойства определяют красоту и своеобразие декоративной обработки стеклоизделий.

Преломление и дисперсия характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его строения. Преломление света - это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.

На рис. 6 представлен путь луча при прохождении его через плоскопараллельную стеклянную пластину. Падающий луч образует углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то i - угол падения, r - угол преломления (на рисунке i>r, потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, в данном случае воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло).

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления - отношением скорости света в среде, из которой свет падает на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления определяется из соотношения n=sin i/sin r . Относительный показатель преломления не имеет размерности, и для прозрачных сред воздух - стекло всегда больше единицы. Например, относительные показатели преломления (по отношению к воздуху): воды- 1,33, хрустального стекла - 1,6, - 2,47.

Рис. 6. Схема прохождения луча через плоскопараллельную стеклянную пластину

Рис. 7. Призматический (дисперсионный) спектр а - разложение луча света призмой; б- диапазоны цветов видимей части

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны). Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны.

Вследствие дисперсии пучок света, проходящий сквозь призму из стекла, образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу - призматический (дисперсионный) спектр (рис. 7,а). В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. 7,6).

Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, а наименьшей частотой и наибольшей длиной волны - красные лучи, следовательно, фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные.

Показатель преломления и дисперсия зависят от состава стекла, а показатель преломления - и от плотности. Чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, Sb 2 O 3 , PbO, BaO, ZnO и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO 2 - снижает. Дисперсия возрастает при введении Sb 2 O 3 и PbO. СаО и ВаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на Дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий, сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30 % PbO, так как PbO значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света - явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему.

От поверхности стекла отражается около 4 % света. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей (алмазная резьба, гранение).

Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, если неровности больше длины волны - диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных тел.

Рассеяние света - явление, наблюдаемое при распространении световых волн в среде с беспорядочно распределенными неоднородностями и состоящее в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям.

В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в толще стекла равномерно распределены неоднородности (кристаллы, включения), то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния и поэтому такое стекло непрозрачно.

Пропускание и поглощение света объясняется следующим. При прохождении пучка света интенсивностью I 0 через прозрачную среду (вещество) интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий из среды пучок света будет иметь интенсивность I< I 0 . Ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды.

Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла составляет примерно 93%. Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла (табл. 2), который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной.

Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в инфракрасной области - для технологических процессов варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), в ультрафиолетовой - для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные - задерживать).

Двойное лучепреломление - раздвоение луча света при прохождении через оптически анизотропную среду, т. е. среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча - обыкновенный и необыкновенный. Скорости распространения этих лучей различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода лучей, нм/см.

При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление, т. е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.

Главная отличительная особенность стекла — его прозрачность. И, наверное, многие задавались вопросом: «Почему оно имеет такое свойство?» Ведь благодаря непосредственно этому качеству стекло получило широкое распространение и повсеместное применение в быту.

Если углубляться в эту тему, то она может показаться большинству людей достаточно тяжелой и непонятной, так как затрагивается много физических процессов в таких областях, как оптика, квантовая механика и химия. Для общего ознакомления лучше воспользоваться более легким языком повествования, который будет понятен многим пользователям.

Итак, известно, что все тела состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, — из атомов, строение которых достаточно простое. В центре атома находится состоящее из протонов и нейтронов ядро, вокруг него на своих орбитах вращаются электроны. Свет также устроен довольно просто. Надо только представить его потоком шариков-фотонов, вылетающих из фонарика, на которые реагируют наши глаза. Если поставить между глазами и фонариком бетонную стенку, то свет станет невидимым. Но если посветить на данную стенку фонарем со стороны наблюдателя, то можно увидеть, как лучи света отражаются от бетона и опять попадают в глаза. Вполне логично, что шарики-фотоны не проходят через бетонную преграду из-за того, что они бьются об электроны, которые движутся с такой невероятной скоростью, что фотон света не может проникнуть сквозь электронные орбиты к ядру и в итоге отражается уже от электронов.

Также по теме: Почему поролон желтеет?

Однако почему же свет проникает сквозь стеклянные преграды? Ведь внутри стекла тоже есть молекулы и атомы. Если взять довольно толстое стекло, то летящий фотон обязательно должен столкнуться с ними, так как атомов в каждой крупинке стекла просто немереное количество. В этом случае все зависит от того, как происходят столкновения электронов с фотонами. Например, когда по вращающемуся вокруг протона электрону ударяется фотон, то вся его энергия переходит к электрону. Фотон поглощается ним и исчезает. В свою очередь, электрон получает дополнительную энергию (ту, которая была у фотона) и с ее помощью перемещается на более высокую орбиту, начиная таким образом вращаться дальше от ядра. Обычно дальние орбиты менее устойчивы, поэтому через некоторое время электрон выпускает взятую частицу и возвращается на свою устойчивую орбиту. Испущенный фотон отправляется в любую произвольную сторону, после чего поглощается каким-то соседним атомом. Он продолжит блуждать в веществе до тех пор, пока не излучится обратно или в конечном итоге не пойдет, как в конкретном случае, на нагрев стены из бетона.

Также по теме: Почему мылится мыло?

Важно то, что электронные орбиты расположены вокруг атомного ядра не хаотично. У атомов каждого химического элемента имеется четко сформированный набор уровней или орбит, то есть электрон не в состоянии подняться выше или опуститься пониже. Он имеет возможность перескочить только на четкий промежуток вниз или вверх. А все эти уровни отличаются разной энергией. Поэтому выходит, что только фотон с какой-то определенной, точно заданной энергией в состоянии направить электрон на более высокую орбиту.

Выходит, что среди трех летящих фотонов с разными показателями заряда энергии только тот стыкуется с атомом, у которого энергия будет точно равна разнице энергий между уровнями отдельно взятого конкретного атома. Остальные пролетят мимо и не смогут сообщить электрону заданную порцию энергии для возможности перехода на другой уровень.

Прозрачность стекла объясняется тем, что электроны в его атомах расположены на таких орбитах, что для их перехода на более высокий уровень необходима энергия, которой недостаточно у фотона видимого света. По этой причине фотон не сталкивается с атомами и достаточно легко проходит сквозь стекло.

Также по теме: Как усилить гидролиз?

Скажем сразу, утверждение, что чем мощнее и ярче источник света, тем будет больше энергии у фотонов, неверное. Мощность зависит от большего их количества. При этом энергия каждой отдельно взятой частицы света одинаковая. Как же найти фотоны с разными зарядами энергии? Для этого надо вспомнить, что свет — это все-таки не просто поток шариков-частиц, это еще и волна. Различные фотоны отличаются между собой разной длиной волны. И чем выше частота колебаний, тем частица несет более мощный заряд энергии. Низкочастотные фотоны несут мало энергии, высокочастотные – много. К первым относятся радиоволны и инфракрасный свет. Ко вторым — рентгеновское излучение. Видимый нашему глазу свет находится где-то посредине. В то же время, например, тот же бетон является прозрачным для радиоволн, для гамма-излучения и инфракрасного излучения, но непрозрачен для ультрафиолета, рентгена и видимого света.