Пользуясь благами окружающего мира, мы нисколько не задумываемся о его устройстве, о том, насколько сложными в реальности могут оказаться простые на первый взгляд вещи и явления. Почему, например, вода мокрая, а небо — синее, что такое электричество и почему стекло прозрачное, а лист картона — нет?
И впрямь, каким образом свету удается проходить сквозь стекло, а ведь его плотность намного больше плотности картона? Впрочем, касается это не только стекла, но также других материалов и веществ — воды, газов и некоторых полимеров.
Чтобы разгадать эту тайну, придется погрузиться в микромир. По некоторым причинам, которые мы не станем сейчас затрагивать, его нельзя увидеть и пощупать, его можно только описать математически. Это довольно сложная задача, но мы и не будем ее решать, вместо этого постараемся преобразовать неудобоваримый язык физики и математики в простые образы, которые можно представить мысленно.
Как известно, все окружающие нас предметы состоят из атомов, образующих в связке молекулы сложных веществ. Атом является довольно простой единицей, который состоит из фундаментальных частиц — положительно заряженного ядра (протоны и нейтроны) и вращающихся вокруг него на своих орбитах электронов.
Со светом всё немного сложнее, поскольку он обладает свойствами не только частицы, но и волны. ..
Тем не менее, продолжим представлять и то и другое в виде шариков. Когда вы направляете луч света на лист картона, шарики-фотоны «ударяются» об атомы вещества и отскакивают от него подобно мячикам.
Вернее, отскакивают они от вращающихся вокруг атомных ядер электронов, которые, получив дополнительный заряд энергии фотона, могут переходить на более высокие орбиты. Правда, последние весьма неустойчивы и очень скоро электроны возвращаются на свои насиженные места. При этом электрон возвращает остаток полученной энергии в виде того же фотона, который тут же сталкивается с другим электроном. В конце концов фотон истрачивает свою энергию, то есть поглощается. В результате не остается ничего, что бы могло пройти сквозь лист картона, поэтому он и кажется нам непрозрачным.
Но разве в листе стекла нет тех же электронов? Если есть, почему они тогда не отражают летящие на них фотоны?
Из предыдущего примера, видно, что фотон света не сможет пройти сквозь вещество только в том случае, если ему удастся вытолкнуть электрон на дальнюю орбиту, отдав свою энергию и поглотившись. Но хитрость в том, что у атомов разных веществ эти дальние орбиты находятся на разных строго детерминированных уровнях, и у фотона попросту может не хватить энергии, чтобы забросить на нее электрон. Такой фотон не тратит свою энергию на «бесполезную» работу и просто пролетает мимо.
Вот вам и вся тайна прозрачности стекла. Энергетические орбиты атомов прозрачных веществ находятся так далеко от ядер, что энергии фотонов видимого света не хватает на их взаимодействие с электронами.
А вообще, прозрачность понятие довольно относительное. Если бы мы видели только в ультрафиолетовом свете, то самое чистое и прозрачное стекло представлялось бы нам не таким прозрачным, а всё потому, что более высокоэнергетические фотоны ультрафиолета вступили бы с электронами стекла и были бы ими поглощены.
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!