Вопрос «Почему стекло прозрачное?» задавался много

В основе объяснения прозрачности и непрозрачности различных материалов лежит электромагнитная теория света. Такой подход включает в себя знание свойств материи, теорию связей, теорию структуры твердого состояния, электрической природы взаимодействия, теорию строения и энергетического состояния атомных ядер.
Свет — это форма распространения энергии, которая при взаимодействии с веществом оказывает влияние на него, и сама претерпевает изменения вследствие поглощения и вторичного излучения энергии веществом. Большинство физических эффектов, которые мы наблюдаем, такие как отражение, преломление и абсорбция (поглощение) света, тесно связаны с размерами объектов или частичек вещества. Все они охватываются разделом физической оптики и могут быть объяснены физическими законами, в основе некоторых из них лежат простые геометрические принципы. Рассматривая прохождение света через объем среды, мы подразумеваем ее относительную однородность. Гетерогенные смеси усиливают рассеивание света и, таким образом, уменьшают прозрачность.

Цвет волны
Свет — это только один из участков электромагнитного излучения. Он соответствует той части спектра, которая оказывает физиологическое воздействие на глаз. В этом отношении она отличается от инфракрасной, ультрафиолетовой и других частей, каждая из которых охватывает определенные диапазоны длин волн. Диапазон волн лучей, воспринимаемых нашими глазами, занимает участок с длинами волн 380-750 нанометров (1нм=10–9м) и называется видимой. Излучение различных длин волн воспринимается нами, как разные цветовые ощущения. Промежутки длин волн, соответствующие основным цветам, приведены в таблице 1.
Наши глаза — очень точные оптические приборы, дающие возможность ощущать не только основные цвета, но и тонкие оттенки различной интенсивности окраски, а также смешанные цвета, что в физическом смысле означает восприятие световых потоков, содержащих фотоны различной длины волны.
Окружающие нас предметы имеют окраску лишь в наших ощущениях, отражая от своей поверхности или пропуская через себя только кванты света узкого промежутка длин волн, которые и определяют тот или иной оттенок из сотен миллионов, которые различает человеческий глаз.
Согласно теории Максвелла, электромагнитное излучение представляет собой совокупность переменных электрических и магнитных полей, перемещающихся в пространстве со скоростью, зависящей от его свойств (величин диэлектрической и магнитной проницаемости среды). Скорость света в воздухе не значительно отличается от скорости света в вакууме и приблизительно равна 3Ч108?м/с.
Электромагнитная волна, падая из вакуума (или из воздуха) на вещество, вызывает колебания в его атомах и молекулах. В случае падения ультрафиолетовых и видимых лучей за изменением электромагнитного поля световой волны могут следовать только электроны в атомах вещества. Наиболее сильно действие световой волны проявляется, когда ее частота совпадает с одной из собственных частот колебаний электронов в атомах, или близка к ней. Инфракрасные лучи вызывают колебания атомов в молекулах, а также частиц, находящихся в узлах кристаллических решеток твердых тел.

Под углом падения
Атомы и молекулы вещества, приходя в вынужденные колебания, сами становятся вторичными излучателями электромагнитных волн. Электромагнитная волна, возникающая в результате суперпозиции (наложения) первичной и вторичной волн, распространяющаяся в той же среде, откуда пришла первичная волна, называется отраженной волной. Электромагнитная волна, возникающая в результате суперпозиции первичной и вторичной волн, распространяющаяся в той среде, где возникли вторичные волны, называется преломленной волной.
При падении световой волны на границу раздела «вакуум (воздух) — металл», волна частично отражается от металла, а частично проходит в глубь него. Коэффициент отражения (количественная доля отраженного света по отношению к падающему) зависит от длины волны света и от электропроводности металла.
В металлах источниками вторичных волн являются в основном электроны проводимости. Поглощение света металлами обусловлено потерями энергии на их нагревание. Можно сказать, что световая волна в металле немедленно разрушается его проводимостью. При этом волны не могут сохраняться, ибо их электрические составляющие разрушаются свободными электронами металла.
Свободные электроны в структуре металла могут легко мигрировать и нейтрализовать потенциал световых электрических составляющих. В результате происходит абсорбция (поглощение) энергии. Другими словами, металлы не могут поддерживать электрический потенциал (электрическое поле) в своем объеме, так как стремятся немедленно уравновесить его свободной электронной проводимостью.
При падении световой волны на плоскую границу раздела «вакуум (воздух) — диэлектрик (стекло)», волна частично отражается, а частично преломляется. Стекла по природе своих химических связей не имеют свободных электронов, которые оказываются связанными внутри твердой структуры с ионами или атомами.
Постоянное электрическое поле может вызвать в стекле незначительное смещение электронов в пределах атомов (электронная поляризация), или ориентацию молекул вдоль направления электрического поля (дипольная поляризация). Таким образом, в объеме стекла создается собственное электрическое поле, направленное против внешнего поля. Результирующая напряженность электрического поля в стекле будет меньше, чем снаружи. Количественное отношение электрического поля в вакууме (воздухе) к электрическому полю в стекле и называется диэлектрической проницаемостью стекла:

e = Е0 / Ест ,

где: Е0 — напряженность электрического поля в вакууме (или воздухе);
Ест — напряженность электрического поля в стекле.

При исчезновении внешнего поля, исчезает и поляризация в объеме стекла. Смещение электронов и молекул в стекле аналогично сжатию и отпусканию пружины, ибо они возвращаются в первоначальное положение. В случае воздействия на стекло электрическим полем световой волны, направление внешнего поля очень быстро меняется на противоположное — с частотой, характерной для каждого участка спектра излучения света. С такой же частотой изменяется и электрическое, (а, значит, и магнитное) поле внутри стекла. Таким образом, стекло поддерживает существование световой волны в своем объеме.
Световая волна может падать на поверхность стекла под прямым углом или же с определенным наклоном. И тогда она несколько изменит свое направление относительно первоначального. Это обусловлено уже рассмотренным нами явлением изменения напряженности электрического поля в стекле, характеризующегося его диэлектрической проницаемостью ?. Отношение синуса угла падения волны (относительно перпендикуляра к поверхности) к синусу угла преломленной в стекле называется показателем преломления среды, который связан со значением ее диэлектрической проницаемости. Это связано с уменьшением скорости распространения света в более плотной среде, например, стекло в сравнении с вакуумом или воздухом. Скорость света в воздухе незначительно отличается от скорости света в вакууме, и поэтому принято утверждать, что показатель преломления воздуха также равен единице. Связь этих величин можно описать математическим выражением:

n = (sina /sinb) = c/v = e1/2,

где: n — относительный показатель преломления;
a и b — углы паления и преломления соответственно;
c и v — скорости распространения света в вакууме (или воздухе) и в стекле соответственно;
e — диэлектрическая проницаемость стекла.

При выходе световой волны из стекла ситуация изменяется на противоположную, и луч, прошедший через плоскую пластину из стекла, будет иметь такой же угол наклона, что и входящий в нее. Поэтому свет проходит через стекло почти без изменения. Однако и в этом случае часть энергии оказывается поглощенной.
Другие диэлектрики тоже являются прозрачными для электромагнитных волн, но область их «прозрачности» не совпадает с видимым диапазоном — многие кристаллы имеют окраску из-за этого.
Итак: факт поддерживания потенциала (электрического поля) в объеме стекла позволяет электрической составляющей света оставаться почти неизменной при прохождении через стекло, поэтому оно будет прозрачным.

Таблица 1. Длины волн, соответствующие различным цветам

• Share

Газ, жидкость и кристалл
Твердыми телами считают обычно вещества, для которых характерна сильная связь между структурными единицами — атомами, молекулами и т.д. Обычно мы считаем, что атомы и молекулы имеют «диаметры», охватывающие самые дальние от ядра электроны. «Диаметры» определяются суммой смежных расстояний между центрами структуры. В жидкостях межатомные расстояния немного больше, чем в соответствующих твердых телах. Большинство материалов при переходе из твердого состояния в жидкое расширяются, но это расширение обычно не превышает 10% межатомного расстояния.
При испарении жидкости образуется газ. Газ состоит из множества частичек в виде атомов или молекул. В сосуде газ будет занимать весь его объем. Дальнейшее увеличение объема газа приводит к увеличению расстояний между его молекулами и, в конце концов, достигается частичный вакуум. Полный вакуум не должен содержать вещества, что, конечно же, получить невозможно.
Полное отсутствие материи, согласно электромагнитной теории света, дает прозрачность, которая обусловлена отсутствием электрического взаимодействия со светом. В действительности настоящего ваку­ума достигнуть невозможно, и в самом лучшем вакууме, который можно создать искусственно, всегда останется достаточно большое количество атомов или молекул.
Газ также пропускает свет, благодаря, главным образом, отсутствию значительного количества вещества, взаимодействующего со световыми волнами. Так, например, один литр воздуха при комнатной температуре и при давлении 0,0001 мм ртутного столба содержит 3,24Ч1015 молекул. Известно, что в одном моле любого газообразного вещества содержится одинаковое количество молекул. Это количество носит название числа Авогадро и равно 6Ч1023 молекул в моле. Так как одна грам-молекула любого газа при стандартных температуре и давлении занимает 22,4 литра, то один литр газа при этих условиях содержит 6Ч1023/ 22,4 или 27Ч1021 молекул. Они в газе находятся в постоянном движении и беспрестанно сталкиваются друг с другом, чем создается давление газа.
Например, в газообразном азоте (N2) при температуре 25°С и давлении в одну атмосферу в течение одной секунды происходит примерно 2,9Ч1023 ударов молекул о поверхность стенки площадью 1?см2, а в объеме 1?см3 газа — 7,8Ч1028 столкновений между молекулами. Молекулы двигаются со средней скоростью около 50000?см/с. У азота между отдельными столкновениями молекулы совершают путь 0,0000075?см. Среднее расстояние между молекулами газа составляет примерно 70Ч10–8?см. В газах молекулы имеют диаметры от 2 до 5Ч10–8?см. Свободное пространство между молекулами газа на порядок превышает размеры его молекул.
В некоторых случаях газы имеют незначительную окраску вследствие того, что собственная частота колебаний молекул газа имеет величину, близкую к частоте электромагнитных колебаний определенного участка спектра, и таким образом происходит поглощение части светового спектра.
Помня о прозрачности вследствие больших расстояний между частичками вещества, сравним это с твердыми телами.
В противоположность газу или жидкости, твердые тела обладают определенной формой и определенной поверхностью. Они представляют собой плотное состояние вещества. Твердые тела в природе могут быть кристаллическими, аморфными, коллоидными, стекловидными или агрегатными. Твердые тела также могут быть прозрачными, окрашенными или непрозрачными, проводниками или непроводниками (диэлектриками), монокристаллическими или поликристаллическими, изотропными или анизотропными (с одинаковыми свойствами, в зависимости от направления воздействия, или с разными) и т.п.

Что окрашивает кристалл?
Кристаллы — это твердые тела, в которых атомы расположены в определенном, постоянно повторяющемся порядке (имеется т.н. атомная решетка).
Самая меньшая структурная единица, которая, постоянно повторяясь, образует кристалл, называется «элементарной ячейкой». Имеется несколько типов кристаллических твердых тел, у которых электроны или очень прочно удерживаются кристаллической структурой, или же могут свободно перемещаться. Однако существуют и несовершенные структуры, имеющие промежуточные свойства.
Такие элементы как медь, кобальт, хром, железо, никель, марганец и др., находясь в растворенном состоянии в стекле, придают ему интенсивное окрашивание. Такие цветные стекла обычно обладают некоторой прозрачностью, частично поглощают свет в отдельных областях спектра и не рассеивают света. До сего времени нет достаточно убедительного объяснения (с точки зрения атомной структуры) природы такого прозрачного окрашивания. Вейль рассматривает окрашивание в зависимости от валентности и изменения валентности атомов, их поляризации, химической и электрической природы и т.п. В некоторой степени причиной окрашивания является не полностью насыщенные или уравновешенные внутренние связи. Проблема еще более усложняется, когда вместо отдельных химических элементов мы имеем дело с их соединениями. Природа связей в соединениях, также как и химические и электрические свойства сложных элементов, оказывают влияние на окрашивание. Цвет в очень большой мере зависит от наружного электронного поля атомов. Поглощение света трактуется как результат энергетических переходов электронов. Предполагается, что в ионах переходной группы валентный электрон перемещается на более отдаленную орбиту. Поглощающие свойства редкоземельных ионов объясняются переходами электронов во внутренних орбитах.
Голубой цвет стекол, содержащих двухвалентные и трехвалентные ионы железа, объясняется переходом электронов под воздействием света между двумя ионами одного и того же элемента, но с различной валентностью.
Существует очень интересное соотношение между цветом и положением элемента в периодической таблице. Так, например, правило Билтца относительно окрашивания гласит следующее: «Полное насыщение химической или электрической валентности, а также увеличение силы связей способствует пропусканию света. Ненасыщение валентности или слабые связи содействуют абсорбции и интенсивному окрашиванию».
Путем добавления определенных элементов можно окрасить бесцветную жидкость. Раствор медного купороса вследствие наличия ионов меди имеет голубой цвет. Раствор, содержащий соли хрома, из-за наличия ионов хрома может быть зеленым. Эти эффекты способствуют окрашиванию химических элементов и различных солей. Например, химические элементы, имеющие в периодической системе элементов порядковые номера от 1 до 21, бесцветны, а элементы же в интервале от 22 до 29 при определенных валентностях — цветные. Сюда входят титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель и медь. Далее наблюдаем, что элементы с порядковыми номерами от 30 до 40 бесцветны, от 41 до 46 цветные, от 47 до 56 бесцветны и т.д. Расположение этих элементов (в зависимости от цвета) в периодической таблице вызывает большой интерес. Другими словами, в периодической таблице:
интенсивность окрашивания возрастает с увеличением атомного веса;
элементы, обладающие небольшой положительной или отрицательной валентностью, не дают интенсивного окрашивания;
окрашивание достигает максимума в 8-й группе;
имеется тенденция увеличения интенсивности окрашивания к середине первого двойного периода, что в меньшей степени наблюдается в других периодах.
Особенно интересно поведение группы переходных элементов, которые при одних валентностях образуют цветные ионы, а при других — бесцветные. К таким переходным элементам относятся титан, ванадий, медь, серебро, церий и т.д. Элементами, имеющими обычно окрашенные ионы, являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, платина, золото и некоторые редкоземельные. Здесь во всех случаях имеются вакансии в наружных орбитах.
Очевидно, что теория окраски ионов исходит из определенных состояний электронного возбуждения из-за взаимодействия между ионами и электромагнитной волной. Хорошая иллюстрация к сказанному — присутствие в стекле окиси железа, которая в трехвалентном состоянии дает желтый цвет, в двухвалентном — голубой, а в смешанном виде — зеленоватое стекло. В золотом рубине (ярко-красный цвет) содержится фактически металл, находящийся в коллоидном состоянии, и окраска получается с учетом размера агрегатов металла и его абсорбционных свойств.

О цвете возбужденных атомов
Эти эффекты подобны спектральному излучению энергии при возбуждении атомов. Все атомы при возбуждении дают характерный спектр, одни волны которого относятся к видимой части спектра, другие к невидимой, а третьи возникают только при высокой температуре или высоком уровне энергии, например, натрий при нагревании окрашивается в желтый цвет.
Абсорбция света в видимой части вызвана смещением электронов внутри молекулы.
Если энергия абсорбции высокая, то она соответствует ультрафиолетовой части спектра. Однако, когда масса вовлеченных частичек становится больше массы возбужденных электронов, то может возникнуть относительное перемещение заряженных атомов или даже вращение полярных групп атомов.
Вращательное движение полярных групп соответствует дальней инфракрасной части спектра. Цветным стеклам, т.е. стеклам, пропускающим видимый спектр, соответствует небольшое перемещение электронов или изменение валентности. Большие электронные скачки вызывают ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Энергия этих перемещений колеблется от нескольких сот до нескольких сотен тысяч калорий на моль. Так как при химических реакциях расходуется от 10000 до 100000 или более калорий на моль, то на ход реакций в наибольшей мере будут оказывать влияние ультрафиолетовые лучи.
Цветные прозрачные стекла получаются в результате добавления определенных окрашивающих ионов. Эти ионы обладают двумя или более видами атомной структуры, или различными строениями наружных орбит, которые дают различную валентность. В любом случае происходит изменение положения электронов, которое выражается изменением энергии, что в свою очередь вызывает соответствующую абсорбцию световых волн и придает стеклу прозрачную окраску.
Преломление, отражение или абсорбция света телом являются факторами, которые способствуют видимости. Если частичка непрозрачна, то она видима вследствие отражения света от поверхности. Согласно законам геометрической оптики, отражение бывает прямое (или зеркальное), при котором угол падения луча равен углу отражения, а также рассеянное, в случае которого направление отраженного света может составлять все 360°.
Если отдельная частичка или вся масса вещества прозрачна, то можно утверждать, что она может характеризоваться показателем преломления. Напомним, что показатель преломления прозрачного материала характеризуется отношением скорости света в вакууме к скорости света в материале. Скорость света в материале меньше, чем в воздухе, т.е. показатель преломления — больше единицы. При вхождении светового луча в прозрачный материал произойдет его преломление и уменьшение скорости распространения.

Обман зрения
Поверхность стекла способна отражать свет. При показателе преломления равном 1,5 поверхность прозрачного стекла отражает примерно 4% света, обе поверхности — около 8%. Таким образом, лист с обеих сторон отполированного прозрачного стекла пропускает порядка 92% падающего на него света. При больших углах падения (относительно перпендикуляра к поверхности) можно получить полное отражение — случай, когда значение угла преломления будет больше 90° и тогда луч отразится от поверхности, не входя в материал.
Если поверхность не полированная, грубая, например, матовая, то происходит рассеянное во всех направлениях отражение. Можно получить матовую поверхность, которая дает наибольшее рассеяние поступающего света. Вследствие этого стекло становится белым или опаловым. Через него невозможно увидеть отдельные детали. Однако пропускание света остается довольно значительным, и через это стекло можно увидеть отдельные тени. Если на поверхность стекла нанести прозрачную жидкость с тем же показателем преломления, что и стекло, то прозрачность стекла значительно увеличится. Если стекло растереть, то получится белый порошок, несмотря на то, что каждая частица сама по себе прозрачна. Если же теперь на размельченное стекло вылить прозрачную жидкость с показателем преломления равным показателю преломления стекла, то частички стекла станут невидимыми. Путем подбора определенного показателя преломления жидкости можно получить невидимую поверхность стекла.
Видимость частички вещества, помещенной в жидкость, зависит от отношения показателей преломления жидкости и вещества. При погружении частички стекла с показателем преломления 1,5 в жидкость типа монохлорбензин, которая тоже имеет показатель преломления 1,5, стекло становится невидимым. Это объясняется тем, что частичку можно различить лишь только в том случае, если видима ее поверхность. В жидкости же ее поверхность стала невидимой, т.к. жидкость оказывает на свет то же самое преломляющее действие. Другими словами, подбирая показатель преломления твердого тела и жидкости можно сделать невидимым одно или другое. Например, если сделать стекло с показателем преломления 1,000, что соответствует показателю преломления воздуха, то оно окажется невидимым в воздухе, т.к. не будет поверхности, которая бы являлась оптической границей этих двух сред. Наоборот, если прозрачный кусок стекла размельчить на кусочки диаметром примерно 1 мм, то окажется, что собранные вместе эти частички выглядят белыми вследствие наличия между ними воздуха, а также за счет рассеянного отражения. Другими словами, в этом случае мы имеем дело с системой с различными показателями преломления, которая непрозрачна, несмотря на то, что сами по себе воздух и стекло в большом объеме прозрачны. Итак, показатель преломления является главным свойством прозрачного материала, которое дает возможность его увидеть.

Изменение степени отражения
Существуют другие методы модификации поверхности стекла, которые, хотя и не делают его полностью невидимым, но несколько уменьшают отражение от поверхности. Это методы нанесения «неотражающих» покрытий, основанные на оптической интерференции волн, отражаемых от поверхности. Интерференция — это явление сложения волн в пространстве, в результате которого могут складываться (условие максимума) или вычитаться (условие минимума) их амплитуды в зависимости от разности начальных фаз их колебаний. В результате происходит усиление или ослабление интенсивности света в зависимости от соотношения фаз складываемых световых волн. Следует добавить, что это возможно только в случае, когда разность фаз этих волн является постоянной (такие волны и создающие их источники называются когерентными). В случае оптической системы «воздух — покрытие — стекло» для каждой отдельно рассматриваемой отраженной волны когерентным источником будет являться поверхность покрытия, от которой исходят отраженная от границы «воздух — покрытие» и отраженная от границы «покрытие — стекло» (дважды прошедшая через покрытие) составляющие волны. Полное ослабление световых волн (условие минимума) может произойти вследствие наложения вершины одной волны на впадину другой волны. Это бы привело к оптической невидимости объекта. Однако такие условия возможны не для всех волн, а только для тех, для которых вносимая покрытием разность хода интерферирующих лучей соизмерима с 1/2 (половиной) длины волны. Волны с длинами, близкими по значению, претерпевают ослабление. Поверхность при этом отражает уже не 4% светового потока, как это при обычных условиях, а меньше, и свет проходит через поверхность с гораздо меньшими потерями на отражение. Такие покрытия используют в большинстве случаев при изготовлении оптических деталей (линз).
Итак: «неотражающие» покрытия должны иметь строго определенный показатель преломления и толщину.

Влияние включений
Интерес представляют также случаи наличия в твердом теле газов, твердых частиц и жидкостей, которые благодаря негомогенной смеси становятся непрозрачными.
Для случая присутствия газов в стекле можно привести два примера. Фарфоровая эмаль на кухонной раковине, вследствие присутствия в стекловидном слое газовых пузырьков, непрозрачна (частично это можно объяснить также и наличием твердых кристаллов). Но это не является характерным методом получения непрозрачных стекол.
В матовых стеклах имеется большое количество пузырьков газа, размер которых равен 3Ч10–6?см (300?Е) и 8Ч10–6?см (800?Е). Как установлено, число таких пузырьков в 1?см2 поверхности стекла колеблется от 1 до 10Ч10–9?см–2.
Эти размеры соответствуют пределу области рассеяния Рэлея, чем и объясняется голубой цвет матовых стекол. (Голубой цвет неба, желтоватый оттенок солнечного диска и красный цвет на закате объясняются молекулярным рассеянием и частичным поглощением света в атмосфере.)
Непрозрачные матовые стекла могут также иметь и кристаллические включения, например, кристаллы фтористого кальция (CaF2) размером от 4Ч10–6 (400Е) до 3Ч10–4 см (30000?Е). При таких размерах включений имеет место как рассеяние Рэлея, так и рассеяние отражения, при преобладании последнего. Этим объясняется получение голубых и белых матовых стекол.
Цвет некоторых стекол обусловлен наличием коллоидных частиц. Наиболее характерным примером является золотое стекло, имеющее ярко-красный цвет. Частички золота в таком стекле находятся в коллоидном состоянии, а окрашивание получается вследствие избирательного поглощения света частицами металлического золота размером от 50 до 600Е.
Таким образом, электромагнитная природа света обусловливает его взаимодействие с веществом в степени, зависящей от электрических свойств вещества, — некоторые объекты прозрачны или непрозрачны из-за отсутствия или наличия (соответственно) взаимодействия. При взаимодействии электромагнитного излучения с материей происходит изменение или разрушение его электрической или магнитной составляющей. Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением видимого диапазона вызывает не только оптические, но и фотовольтаические эффекты, благодаря чему можно получать электричество при освещении или менять прозрачность стекла при изменении электрического потенциала на поверхности стекла (электрохромные стекла, см. «Окна. Двери. Витражи», №?1-2007, с.145-146), а также стекло может приобретать энергосберегающие свойства (например, о стеклах, поглощающих ультрафиолетовую часть спектра, см. «Окна. Двери. Витражи», №?5-2006, с.171-172, о стек­лах, поглощающих инфракрасную часть спектра (теплопоглощающих стеклах), см. «Окна. Двери. Витражи», №5-2006, с.173-174).
Разрушение (поглощение) электрической или магнитной составляющих электромагнитной волны вызывает полное ее разрушение, т.к. для существования света необходимо наличие обоих компонент электромагнитного излучения. Итак, на «наивный» вопрос о причине прозрачности или непрозрачности вещества можно ответить, зная физические явления и эффекты при взаимодействии этого материала с электромагнитным излучением видимого диапазона.