Varför är glas transparent? Varför är glas genomskinligt på dina fingrar. Varför överför glas processens fysik?

Som barn frågade jag en gång min far: "Varför tillåter glas ljus att passera igenom?" Då hade jag lärt mig att ljus är en ström av partiklar som kallas fotoner, och det verkade fantastiskt för mig hur en så liten partikel kunde flyga genom tjockt glas. Fadern svarade: "För att det är genomskinligt." Jag förblev tyst, för jag förstod att "transparent" bara är en synonym för uttrycket "sänder ljus", och min far visste inte riktigt svaret. Det fanns inget svar i skolböckerna heller, men jag skulle vilja veta. Varför sänder glas ljus?

Svar

Fysiker kallar ljus inte bara synligt ljus, utan också osynlig infraröd strålning, ultraviolett strålning, röntgenstrålning, gammastrålning och radiovågor. Material som är transparenta för en del av spektrumet (till exempel grönt ljus) kan vara ogenomskinligt för andra delar av spektrumet (rött glas sänder till exempel inte ut gröna strålar). Vanligt glas överför inte ultraviolett strålning, men kvartsglas är genomskinligt för ultraviolett strålning. Material som inte alls överför synligt ljus är genomskinliga för röntgenstrålar. Etc.

Ljus består av partiklar som kallas fotoner. Fotoner av olika "färger" (frekvenser) bär olika delar av energi.

Fotoner kan absorberas av materia, överföra energi och värma upp den (vilket är välkänt för alla som har solat på stranden). Ljus kan reflekteras från ett ämne och sedan komma in i våra ögon, så vi ser föremål omkring oss, men i totalt mörker, där det inte finns några ljuskällor, ser vi ingenting. Och ljus kan passera genom ett ämne – och då säger vi att detta ämne är genomskinligt.

Olika material absorberar, reflekterar och släpper igenom ljus i olika proportioner och skiljer sig därför åt i sina optiska egenskaper (mörkare och ljusare, olika färger, glans, transparens): sot absorberar 95 % av ljuset som infaller på den, och en polerad silverspegel reflekterar 98 % av ljuset. Ett material baserat på kolnanorör har skapats som endast reflekterar 45 tusendels procent av infallande ljus.

Frågor uppstår: när absorberas en foton av ett ämne, när reflekteras den och när passerar den genom ett ämne? Vi är nu bara intresserade av den tredje frågan, men på vägen ska vi svara på den första.

Interaktionen mellan ljus och materia är interaktionen mellan fotoner och elektroner. En elektron kan absorbera en foton och kan avge en foton. Det finns ingen reflektion av fotoner. Fotonreflektion är en process i två steg: absorptionen av en foton och den efterföljande emissionen av exakt samma foton.

Elektroner i en atom kan endast ockupera vissa banor, som var och en har sin egen energinivå. Atomen i varje kemiskt element kännetecknas av sin egen uppsättning energinivåer, d.v.s. tillåtna banor av elektroner (detsamma gäller för molekyler, kristaller, materias kondenserade tillstånd: sot och diamant har samma kolatomer, men de optiska egenskaperna hos ämnena är olika metaller, perfekt reflekterande ljus, är genomskinliga och ändrar till och med färg (grönt guld) om tunna filmer inte överför ultraviolett strålning, och kristallint glas tillverkat av samma kiseloxidmolekyler är genomskinligt för; ultraviolett strålning).

Efter att ha absorberat en foton med en viss energi (färg), rör sig elektronen till en högre bana. Tvärtom, efter att ha sänt ut en foton, rör sig elektronen till en lägre bana. Elektroner kan absorbera och avge inte några fotoner, utan bara de vars energi (färg) motsvarar skillnaden i energinivåer för en viss atom.

Så hur ljus beter sig när det möter ett ämne (reflekteras, absorberas, passerar) beror på vad ämnets tillåtna energinivåer är och vilken energi fotonerna har (d.v.s. vilken färg ljuset som infaller på ämnet har).

För att en foton ska absorberas av en av elektronerna i en atom måste den ha en strikt definierad energi, motsvarande skillnaden i energierna för två av atomens energinivåer, annars flyger den förbi. I glas är avståndet mellan individuella energinivåer stort, och inte en enda foton av synligt ljus har motsvarande energi, vilket skulle räcka för att en elektron, som har absorberat en foton, hoppar till en högre energinivå. Därför överför glas fotoner av synligt ljus. Men fotoner av ultraviolett ljus har tillräcklig energi, så elektroner absorberar dessa fotoner och glas blockerar ultraviolett strålning. I kvartsglas är avståndet mellan tillåtna energinivåer (energigap) ännu större och därför har fotoner av inte bara synligt, utan även ultraviolett ljus inte tillräckligt med energi för att elektroner ska kunna absorbera dem och flytta till de övre tillåtna nivåerna.

Så, fotoner av synligt ljus flyger genom glas eftersom de inte har lämplig energi för att driva elektroner till en högre energinivå, och glaset verkar därför genomskinligt.

Genom att lägga till föroreningar som har ett annat energispektrum än glas kan det göras färgat - glaset kommer att absorbera fotoner av vissa energier och överföra andra fotoner av synligt ljus.

Till att börja med, låt oss säga några ord om fasta ämnen, vätskor och gaser. I ett fast ämne är molekylerna hårt attraherade till varandra. De höll bokstavligen ihop.

Det är därför fasta ämnen har en ändlig form, till exempel en boll eller en kub. Men även om molekylerna är väldigt tätt packade vibrerar de fortfarande något runt sin genomsnittliga position (ingenting i naturen står stilla).

Molekyler i vätskor och gaser

I vätskor är molekyler kopplade till varandra lösare. De glider och skiftar i förhållande till varandra. Därför är vätskor flytande och upptar hela volymen av kärlet i vilket de hälls. I gaser är molekylerna helt orelaterade till varandra. De flyger i höga hastigheter åt alla håll. Den genomsnittliga flyghastigheten för en vätemolekyl vid en temperatur på 0 grader Celsius är 5600 kilometer i timmen. Det finns mycket fritt utrymme mellan gasmolekylerna. Du kan gå genom ett gasmoln och inte ens märka det.

Relaterat material:

Hur görs julgransdekorationer?

Varför är gaser transparenta men inte fasta ämnen?

Temperaturen spelar en avgörande roll för om ett visst ämne är fast, flytande eller gas. Vid normalt tryck på jordens yta vid en temperatur på 0 grader Celsius och lägre är vatten ett fast ämne. Vid temperaturer mellan 0 och 100 grader Celsius är vatten en vätska. Vid temperaturer över 100 grader Celsius är vatten en gas. Ånga från pannan sprider sig i hela köket jämnt åt alla håll.

Baserat på ovanstående, låt oss anta att det är möjligt att se genom gaser, men detta är omöjligt genom fasta ämnen. Men vissa fasta ämnen, som glas, är lika genomskinliga som luft. Hur fungerar detta? De flesta fasta ämnen absorberar ljus som faller på dem. En del av den absorberade ljusenergin används för att värma upp kroppen. Det mesta av det infallande ljuset reflekteras. Därför ser vi en fast kropp, men kan inte se igenom den.

Relaterat material:

Varför är glas transparent?

Glasmolekyler absorberar fotoner av ljus som faller på den. I samma ögonblick sänder glasmolekylerna ut samma fotoner i samma riktning. Glas absorberar fotoner och avger samma fotoner i samma riktning. Det är så glas visar sig vara genomskinligt, det vill säga att det faktiskt överför ljus. Samma historia händer med vatten och andra praktiskt taget färglösa vätskor. Det mesta av det infallande ljuset bärs av molekyler. Vissa fotoner absorberas och deras energi används för att värma upp vätskan.

I gaser finns molekyler på långa avstånd från varandra. Ljusstrålar kan passera genom ett gasmoln utan att stöta på en enda molekyl på vägen. Detta händer med de flesta fotoner av solljus som passerar genom jordens atmosfär. Ljus sprids när det kolliderar med gasmolekyler. När vitt ljus kolliderar med en molekyl delas det upp i ett färgspektrum. Därför ser tydligen gaserna i jordens atmosfär blå ut. Trots detta anses de vara transparenta.

Relaterat material:

Sammansättningen av jordens atmosfär, storleken på luftmolekylen

Om du hittar ett fel, markera en text och klicka Ctrl+Enter.

Vad är venetianskt glas och...
Varför gäspar en person och varför...
Varför känner inte en person igen sin...

Det främsta utmärkande draget hos glas är dess transparens. Och förmodligen undrade många: "Varför har den den här egenskapen?" Tack vare denna kvalitet har glas blivit utbrett och flitigt använt i vardagen.

Om vi går djupare in i det här ämnet kan det verka ganska svårt och obegripligt för de flesta, eftersom många fysiska processer påverkas inom områden som optik, kvantmekanik och kemi. För allmän information är det bättre att använda ett enklare berättarspråk som kommer att vara begripligt för många användare.

Så det är känt att alla kroppar består av molekyler, och molekyler är i sin tur gjorda av atomer, vars struktur är ganska enkel. I mitten av atomen finns en kärna som består av protoner och neutroner, runt vilka elektroner roterar i sina banor. Belysningen är också ganska enkel. Du behöver bara föreställa dig det som en ström av fotonbollar som flyger ut ur en ficklampa, som våra ögon reagerar på. Om du sätter en betongvägg mellan ögonen och ficklampan blir ljuset osynligt. Men om du lyser med en ficklampa på den här väggen från betraktarens sida kan du se hur ljusstrålarna reflekteras från betongen och återigen faller in i ögonen. Det är ganska logiskt att fotonkulor inte passerar genom en betongbarriär på grund av att de träffar elektroner, som rör sig med en sådan otrolig hastighet att en foton av ljus inte kan tränga igenom elektronbanorna till kärnan och slutligen reflekteras från elektroner.

Också på ämnet: Varför gulnar skumgummi?

Men varför tränger ljus igenom glasbarriärer? Inuti glaset finns trots allt också molekyler och atomer. Om du tar ett ganska tjockt glas, måste en flygande foton kollidera med dem, eftersom det helt enkelt finns ett omätligt antal atomer i varje glaskorn. I det här fallet beror allt på hur elektroner kolliderar med fotoner. Till exempel, när en foton träffar en elektron som roterar runt en proton, går all dess energi till elektronen. Fotonen absorberas av den och försvinner. I sin tur får elektronen ytterligare energi (den som fotonen hade) och rör sig med sin hjälp till en högre bana och börjar därmed rotera längre från kärnan. Vanligtvis är avlägsna banor mindre stabila, så efter en tid släpper elektronen den tagna partikeln och återgår till sin stabila bana. Den emitterade fotonen skickas i valfri godtycklig riktning, varefter den absorberas av någon angränsande atom. Det kommer att fortsätta att vandra i ämnet tills det släpps tillbaka eller så småningom går, som i ett särskilt fall, för att värma en betongvägg.

Också på ämnet: Varför löddrar tvål?

Det viktiga är att elektronbanor inte är slumpmässigt placerade runt atomkärnan. Atomerna i varje kemiskt element har en tydligt bildad uppsättning nivåer eller banor, det vill säga elektronen kan inte stiga högre eller falla lägre. Han har förmågan att hoppa bara en tydlig lucka ner eller upp. Och alla dessa nivåer har olika energier. Därför visar det sig att endast en foton med en viss, exakt specificerad energi kan styra en elektron till en högre bana.

Det visar sig att bland tre flygande fotoner med olika energiladdningsindikatorer är det bara en som dockar med en atom vars energi kommer att vara exakt lika med energiskillnaden mellan nivåerna för en enskild specifik atom. Resten kommer att flyga förbi och kommer inte att kunna förse elektronen med en given del av energin för att kunna flytta till en annan nivå.

Glasets genomskinlighet förklaras av det faktum att elektronerna i dess atomer är placerade i sådana banor att deras övergång till en högre nivå kräver energi, vilket inte räcker för en foton av synligt ljus. Av denna anledning kolliderar inte fotonen med atomer och passerar ganska lätt genom glaset.

Också på ämnet: Hur förbättrar man hydrolysen?

Låt oss genast säga att påståendet att ju kraftfullare och ljusare ljuskällan är, desto mer energi kommer fotonerna att ha, är felaktigt. Makt beror på fler av dem. I detta fall är energin för varje enskild ljuspartikel densamma. Hur hittar man fotoner med olika energiladdningar? För att göra detta måste vi komma ihåg att ljus inte bara är en ström av kulpartiklar, det är också en våg. Olika fotoner har olika våglängder. Och ju högre oscillationsfrekvensen är, desto kraftfullare bär partikeln en energiladdning. Lågfrekventa fotoner bär lite energi, högfrekventa bär mycket. De första inkluderar radiovågor och infrarött ljus. Den andra är röntgenstrålning. Ljuset som är synligt för våra ögon är någonstans i mitten. Samtidigt är till exempel samma betong genomskinlig för radiovågor, gammastrålning och infraröd strålning, men ogenomskinlig för ultraviolett, röntgen och synligt ljus.

07.02.2017 15:49 850

Varför är glas genomskinligt?

Glas är ett mycket viktigt material som människor använder inom olika områden av livet. Fönster, porslin, speglar, glasögon, etc. är gjorda av det...

Föreställ dig bara: du kommer tillbaka från skolan och upptäcker att det inte finns något glas i fönstren i din lägenhet. Alla glasföremål försvann också från huset. Du vill se ditt förvånade ansikte i spegeln, men det var inte där heller... Och vi skulle inte ha många andra användbara saker nu om glaset inte hade dykt upp i sinom tid.

I vår artikel kommer vi att berätta om glasets historia, hur det kom in i våra liv och varför det är så transparent. Vem uppfann detta användbara, ömtåliga material? Märkligt nog - ingen. Faktum är att glas skapades av naturen själv.

En gång i tiden, många miljoner år innan den första människan dök upp på jorden, fanns redan glas. Och den bildades av först varm och sedan kyld lava som sprack upp till ytan från vulkaner. Detta naturliga glas kallas nu för obsidian.

Däremot fick de inte glasera till exempel fönster. Och inte bara för att det inte fanns några fönster då, utan också för att naturglas har en smutsgrå färg, och absolut ingenting kan ses genom det.

Så hur såg glas lämpligt för konsumtion, det vill säga transparent, ut? Kanske har folk lärt sig hur man tvättar det? Tyvärr, naturligt glas är inte smutsigt från utsidan, utan från insidan, så även de modernaste tvättmedlen hjälper inte här...

Det finns flera legender om hur man först gjorde glas nära modernt glas. Alla är väldigt monotona och deras betydelse handlar om att resenärer, som inte hade stenar till eldstaden till hands, använde bitar av naturlig läsk istället.

Dessutom hände detta i öknen eller på stranden av en reservoar, där det alltid fanns sand. Och så, under påverkan av eld, smälte läsk och sand och förenades och bildade glas. Människor har trott på dessa legender under lång tid. Men ganska nyligen blev det klart att allt detta inte är sant, eftersom värmen som kommer från elden inte räcker för en sådan forsränning.

Folk började tillverka glas med sina egna händer för mer än 5 tusen år sedan, i Egypten. Det var sant, även då var det inte genomskinligt, men på grund av att det fanns främmande föroreningar i sanden hade det en grön eller blå nyans. Men gradvis i öst lärde de sig att bli av med dessa föroreningar. Av utgrävningarna att döma var de första glasprodukterna pärlor.

Lite senare började de täcka tallrikar med glas. Och det tog människor ytterligare 2 tusen år att lära sig att göra det helt av glas. Hemligheten med glasproduktion var så värdefull på den tiden att Venedigs regering i början av 1200-talet skickade speciella människor österut för att ta reda på denna hemlighet.

De startade sin egen produktion och kunde göra glaset ännu mer transparent, efter att ha gissat på att lägga till lite bly till dess sammansättning. Till en början tillverkades glas i själva Venedig. Lokala myndigheter var mycket rädda för att någon skulle ta reda på produktionshemligheten, så området där dessa verkstäder låg var alltid avspärrat av soldater.

Ingen av arbetarna som sysslade med glastillverkning hade rätt att lämna staden. För varje försök att göra detta dömdes inte bara glasmakaren själv utan även hela hans familj till döden. Till slut beslutades det att flytta verkstäderna till ön Murano. Det var svårare att fly därifrån, och det var också svårt att ta sig dit.

År 1271 lärde sig venetianska slipmaskiner att göra linser av glas, som till en början inte var särskilt efterfrågade. Men 1281 kom de på hur de skulle sätta in dem i specialdesignade bågar. Så här såg de första glasen ut. Till en början var de så dyra att de var en utmärkt gåva även för kungar och kejsare.

I slutet av 1400-talet, när Venedig lärde sig att tillverka glasvaror, blev Murano-produkter (uppkallade efter ön där de tillverkades) så populära över hela världen att ytterligare fartyg måste byggas för att leverera dem.

Men glasförbättringarna fortsatte senare. Tiden har kommit, och folk kom på idén att täcka den med en speciell förening - amalgam, och därmed uppträdde speglar.

I Ryssland började glasproduktionen för tusen år sedan, i små verkstäder. Och 1634 byggdes den första glasfabriken nära Moskva.

Det fanns tillfällen då solbränd hud ansågs vara ett tecken på låg födsel, och ädla damer försökte skydda sina ansikten och händer från solens strålar för att behålla sin aristokratiska blekhet. Senare förändrades inställningen till garvning - det blev en oumbärlig egenskap hos en frisk och framgångsrik person. Idag, trots den pågående kontroversen om fördelarna och skadorna med solexponering, är brons hudton fortfarande på toppen av popularitet. Men inte alla har möjlighet att besöka stranden eller solariet, och i detta avseende är många intresserade av om det är möjligt att sola genom fönsterglas, sitta till exempel på en soluppvärmd glasad loggia eller vind.

Förmodligen har varje yrkesförare eller bara en person som tillbringar lång tid bakom ratten i en bil märkt att hans händer och ansikte blir lätt solbrända med tiden. Detsamma gäller för kontorsanställda som tvingas sitta vid ett fönster utan gardin under hela arbetspasset. Du kan ofta hitta spår av solbränna i deras ansikten även på vintern. Och om en person inte är stamgäst på solarier och inte tar en daglig promenad genom parker, så kan detta fenomen inte förklaras på annat sätt än genom att sola genom glas. Så tillåter glas ultraviolett ljus att passera igenom och är det möjligt att sola genom fönstret? Låt oss ta reda på det.

Naturen av garvning

För att svara på frågan om det är möjligt att få en solbränna genom vanligt fönsterglas i en bil eller på en loggia, måste du förstå exakt hur processen att mörka huden uppstår och vilka faktorer som påverkar den. Först och främst bör det noteras att solning inte är något annat än en skyddande reaktion av huden på solstrålning. Under påverkan av ultraviolett ljus börjar epidermala celler (melanocyter) producera ämnet melanin (mörkt pigment), på grund av vilket huden får en bronsfärg. Ju högre koncentration av melanin i de övre lagren av dermis, desto mer intensiv solbränna. Denna reaktion orsakas dock inte av alla UV-strålar, utan endast de som ligger inom ett mycket smalt våglängdsområde. Ultravioletta strålar är konventionellt indelade i tre typer:

A-strålar (långvåg)- hålls praktiskt taget inte kvar av atmosfären och når jordytan utan hinder. Sådan strålning anses vara den säkraste för människokroppen, eftersom den inte aktiverar melaninsyntesen. Allt det kan göra är att orsaka lätt mörkare av huden, och då endast vid långvarig exponering. Men med överdriven insolering av långvågiga strålar förstörs kollagenfibrer och huden uttorkas, vilket gör att den börjar åldras snabbare. Och vissa utvecklar en allergi mot solen just på grund av A-strålar. Långvågig strålning övervinner lätt tjockleken på fönsterglas och leder till gradvis blekning av tapeter, möbelytor och mattor, men det är omöjligt att få en full solbränna med hjälp av den.
B-strålar (medelvåg)- stanna kvar i atmosfären och endast delvis nå jordens yta. Denna typ av strålning har en direkt effekt på syntesen av melanin i hudceller och bidrar till uppkomsten av en snabb solbränna. Och med sin intensiva påverkan på huden uppstår brännskador i olika grad. B-strålar kan inte tränga in genom vanligt fönsterglas.
C-strålar (kortvåg)- utgör en enorm fara för alla levande organismer, men lyckligtvis neutraliseras de nästan helt av atmosfären utan att nå jordens yta. Man kan bara stöta på sådan strålning högt uppe i bergen, men även där är dess effekt extremt försvagad.

Fysiker identifierar en annan typ av ultraviolett strålning - extrem, för vilken termen "vakuum" ofta används på grund av det faktum att vågor i detta intervall helt absorberas av jordens atmosfär och inte når jordens yta.

Kan du sola genom glas?

Om du kan få en solbränna genom fönsterglas eller inte beror direkt på vilka egenskaper den har. Faktum är att det finns olika typer av glas, som var och en påverkas olika av UV-strålar. Således har organiskt glas en hög överföringskapacitet, vilket tillåter passage av hela spektrumet av solstrålning. Detsamma gäller kvartsglas som används i solariumslampor och i apparater för desinficering av rum. Vanligt glas, som används i bostadslokaler och bilar, sänder endast långvågiga strålar av typ A, och det är omöjligt att bli solbränd genom det. Det är en annan sak om du byter ut den mot plexiglas. Då kan du sola och njuta av en vacker solbränna nästan året runt.

Även om det ibland finns fall när en person tillbringar lite tid under solens strålar som passerar genom ett fönster och sedan upptäcker en lätt solbränna på öppna områden av huden. Naturligtvis är han helt säker på att han blivit solbränd just av solsken genom glaset. Men detta är inte helt sant. Det finns en mycket enkel förklaring till detta fenomen: förändringen i nyansen i detta fall uppstår som ett resultat av aktiveringen av en liten mängd kvarvarande pigment (melanin) som produceras under påverkan av ultraviolett typ B, belägen i hudceller. Som regel är en sådan "solbränna" tillfällig, det vill säga den försvinner snabbt. Med ett ord, för att få en fullfjädrad solbränna måste du antingen besöka ett solarium eller regelbundet sola, och det kommer inte att vara möjligt att ändra den naturliga hudtonen mot en mörkare genom vanligt fönster eller bilglas.

Behöver du försvara dig?

Endast de personer som har mycket känslig hud och anlag för åldersfläckar bör oroa sig för om det är möjligt att få en solbränna genom glas. De rekommenderas att ständigt använda specialprodukter med en minsta skyddsgrad (SPF). Sådan kosmetika bör appliceras främst på ansikte, hals och dekolletage. Du bör dock inte skydda dig själv för aktivt från ultraviolett strålning, särskilt långvågig strålning, eftersom solens strålar i måttliga mängder är mycket användbara och till och med nödvändiga för den mänskliga kroppens normala funktion.