Оптичните свойства на стъклата са свързани с характерните особености на взаимодействието на светлинните лъчи със стъклото. Именно оптичните свойства определят красотата и оригиналността на декоративната обработка на стъклени изделия.
Пречупване и дисперсияхарактеризират закономерностите на разпространението на светлината в дадено вещество в зависимост от неговата структура. Пречупването на светлината е промяна в посоката на разпространение на светлината по време на прехода й от една среда в друга, която се различава от първата по стойността на скоростта на разпространение.
На фиг. 6 показва пътя на лъч, който преминава през плоскопаралелна стъклена плоча. Падащият лъч прави ъгли с нормалата към интерфейса в точката на падане. Ако лъчът преминава от въздух към стъкло, тогава i е ъгълът на падане, r е ъгълът на пречупване (на фигурата, i> r, тъй като във въздуха скоростта на разпространение на светлинните вълни е по -висока, отколкото в стъклото, в този случай въздухът е оптически по -малко плътна среда от стъклото).
Пречупването на светлината се характеризира с относителния коефициент на пречупване - съотношението на скоростта на светлината в средата, от която светлината пада върху интерфейса към скоростта на светлината във втората среда. Показателят на пречупване се определя от съотношението n = sin i / sin r. Относителният коефициент на пречупване няма измерение, а за прозрачните среди въздушното стъкло винаги е по -голямо от единица. Например относителните показатели на пречупване (по отношение на въздуха): вода - 1,33, кристално стъкло - 1,6, - 2,47.
Ориз. 6. Диаграма на лъча, преминаващ през плоскопаралелна стъклена плоча
Ориз. 7. Призматичен (дисперсивен) спектър а - разлагане на светлинен лъч от призма; b - цветови диапазони на видимата част
Дисперсия на светлинае зависимостта на показателя на пречупване от честотата на светлината (дължина на вълната). Нормалната дисперсия се характеризира с увеличаване на показателя на пречупване с увеличаване на честотата или намаляване на дължината на вълната.
Поради дисперсия, лъч светлина, преминаващ през стъклена призма, образува дъгова лента на екрана, инсталиран зад призмата - призматичен (дисперсивен) спектър (фиг. 7, а). В спектъра цветовете са подредени в определена последователност, варираща от виолетово до червено (фиг. 7.6).
Причината за разлагането на светлината (дисперсия) е зависимостта на показателя на пречупване от честотата на светлината (дължина на вълната): колкото по -висока е честотата на светлината (по -къса дължина на вълната), толкова по -висок е показателят на пречупване. В призматичния спектър виолетовите лъчи имат най -високата честота и най -ниската дължина на вълната, а червените лъчи имат най -ниската честота и дължина на вълната, поради което виолетовите лъчи се пречупват повече от червените.
Показателят на пречупване и дисперсията зависят от състава на стъклото, а показателят на пречупване също зависи от плътността. Колкото по -висока е плътността, толкова по -висок е коефициентът на пречупване. Оксидите CaO, Sb 2 O 3, PbO, BaO, ZnO и алкалните оксиди увеличават коефициента на пречупване, добавянето на SiO 2 го намалява. Дисперсията се увеличава с въвеждането на Sb203 и PbO. CaO и BaO имат по -силен ефект върху показателя на пречупване, отколкото върху дисперсията. Чаши, съдържащи до 30% PbO, се използват главно за производството на високохудожествени изделия, висококачествени стъклени изделия, подложени на смилане, тъй като PbO значително увеличава коефициента на пречупване и дисперсията.
Светло отражение- явление, наблюдавано, когато светлината пада върху интерфейса на две оптически различни медии и се състои в образуването на отразена вълна, разпространяваща се от интерфейса в същата среда, от която идва падащата вълна. Отражението се характеризира с коефициента на отражение, който е равен на отношението на отразения светлинен поток към падащия.
Около 4% от светлината се отразява от стъклената повърхност. Отразяващият ефект се засилва от наличието на множество полирани повърхности (диамантена нишка, фасетиране).
Ако неравностите на интерфейса са малки в сравнение с дължината на вълната на падащата светлина, тогава настъпва огледално отражение, ако неравностите са по -големи от дължината на вълната - дифузно отражение, при което светлината се разсейва от повърхността във всички възможни посоки. Отражението се нарича селективно, ако отражението не е еднакво за светлина с различни дължини на вълните. Избирателното отражение обяснява цвета на непрозрачните тела.
Разпръскване на светлина- явление, наблюдавано по време на разпространението на светлинни вълни в среда със случайно разпределени неоднородности и състоящо се от образуване на вторични вълни, които се разпространяват във всички възможни посоки.
В обикновеното прозрачно стъкло практически няма разсейване на светлината. Ако повърхността на стъклото е неравна (матирано стъкло) или неоднородностите (кристали, включвания) са равномерно разпределени в дебелината на стъклото, тогава светлинните вълни не могат да преминат през стъклото без разсейване и следователно такова стъкло е непрозрачно.
Пропускане и поглъщане на светлинасе обяснява по следния начин. Когато лъч светлина с интензитет I 0 преминава през прозрачна среда (вещество), интензитетът на първоначалния поток се отслабва и светлинният лъч, напускащ средата, ще има интензитет 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.
Абсорбцията намалява общата прозрачност на стъклото, което е приблизително 93% за безцветното натриево-варо-силикатно стъкло. Поглъщането на светлина е различно за различните дължини на вълните, така че цветните очила имат различни цветове. Цветът на стъклото (Таблица 2), който се възприема от окото, се определя от цвета на онази част от падащия светлинен лъч, който е преминал през стъклото непоглътен.
Индикаторите за пропускане (поглъщане) във видимата спектрална област са важни за оценка на цвета на висококачествени, сигнални и други цветни стъкла, в инфрачервената област - за технологичните процеси на топене на стъкло и формоване на продукти (термична прозрачност на стъкла), в ултравиолетовите - за експлоатационните свойства на стъклата (продуктите от стъкло увиол трябва да пропускат ултравиолетови лъчи, а контейнерът трябва да задържа).
Двупреломление- бифуркация на светлинен лъч при преминаване през оптично анизотропна среда, т.е. среда с различни свойства в различни посоки (например повечето кристали). Това явление възниква, защото коефициентът на пречупване зависи от посоката на електрическия вектор на светлинната вълна. Лъч светлина, влизащ в кристала, се разлага на два лъча - обикновен и необикновен. Скоростите на разпространение на тези лъчи са различни. Двупреломлението се измерва чрез разликата в пътя на лъчите, nm / cm.
При неравномерно охлаждане или нагряване на стъклото в него възникват вътрешни напрежения, причинявайки двойно пречупване, тоест стъклото се оприличава на двулучепреломващ кристал, например кварц, слюда, гипс. Това явление се използва за контрол на качеството на термична обработка на стъкло, предимно отгряване и закаляване.
Като начало нека кажем няколко думи за твърди вещества, течности и газове. В твърдо вещество молекулите се привличат плътно една към друга. Те буквално останаха заедно.
Ето защо твърдите тела имат крайна форма, като топка или куб. Но въпреки че молекулите са опаковани много плътно, те все още леко вибрират около средната си позиция (нищо в природата не стои неподвижно).
Молекули в течности и газове
В течностите молекулите са по -свободно свързани помежду си. Те се плъзгат и се движат един спрямо друг. Следователно течностите са течни и заемат целия обем на съда, в който се изливат. В газовете молекулите са напълно несвързани помежду си. Те летят с висока скорост във всички посоки. Средната скорост на полет на молекула водород при температура 0 градуса по Целзий е 5600 километра в час. Между молекулите на газа има много свободно пространство. Можете да преминете през облак газ и дори да не го забележите.
Свързани материали:
Как се правят коледните украси?
Защо газовете са прозрачни, но не са твърди?
Температурата играе решаваща роля за това дали дадено вещество е твърдо, течно или газообразно. При нормален натиск върху земната повърхност при температури от 0 градуса по Целзий и под водата водата е твърдо вещество. При температури между 0 и 100 градуса по Целзий водата е течна. При температури над 100 градуса по Целзий водата е газ. Парата от тигана се разпределя равномерно в кухнята във всички посоки.
Въз основа на горното, нека приемем, че човек може да вижда през газове, но това е невъзможно чрез твърди тела. Но някои твърди вещества, като стъклото, са прозрачни като въздуха. Как работи? Повечето твърди тела поглъщат падащата върху тях светлина. Част от погълнатата светлинна енергия се изразходва за нагряване на тялото. По -голямата част от падащата светлина се отразява. Следователно ние виждаме твърдо вещество, но не можем да видим през него.
Свързани материали:
Защо стъклото е прозрачно?
Стъклените молекули поглъщат фотони от светлина, падащи върху него. В същия момент стъклените молекули излъчват едни и същи фотони в една и съща посока. Стъклото поглъща фотони и излъчва същите фотони в една и съща посока. Така стъклото се оказва прозрачно, тоест всъщност пропуска светлина. Същата история се случва с вода и други практически безцветни течности. По -голямата част от падащата светлина се пренася от молекули. Някои фотони се абсорбират и тяхната енергия се изразходва за нагряване на течността.
В газовете молекулите са на голямо разстояние една от друга. Светлинните лъчи могат да преминат през газов облак, без да срещнат нито една молекула по пътя си. Такъв е случаят с повечето фотони на слънчевата светлина, преминаващи през земната атмосфера. Светлината се разсейва, когато се сблъска с газови молекули. Когато бялата светлина се сблъска с молекула, тя се разделя на цветен спектър. Следователно очевидно газовете на земната атмосфера изглеждат сини. Въпреки това те се считат за прозрачни.
Свързани материали:
Състав на земната атмосфера, размер на молекулата на въздуха
Ако откриете грешка, моля, изберете част от текста и натиснете Ctrl + Enter.
- Какво е венецианско стъкло и ...
- Защо човек се прозява и защо ...
- Защо човек не разпознава своя ...
Като дете веднъж попитах баща си: "Защо стъклото пропуска светлината?" По това време бях научил, че светлината е поток от частици, наречени фотони, и ми се стори невероятно как такава малка частица може да лети през дебело стъкло. Бащата отговори: „Защото е прозрачен“. Мълчах, защото разбрах, че „прозрачен“ е просто синоним на израза „пропуска светлината“, а баща ми всъщност не знае отговора. В училищните учебници също нямаше отговор, но бих искал да знам. Защо стъклото пропуска светлината?
Отговор
Физиците наричат светлината не само видима светлина, но и невидима инфрачервена радиация, ултравиолетова радиация, рентгенови лъчи, гама лъчение, радиовълни. Материалите, които са прозрачни за една част от спектъра (например за зелена светлина), могат да бъдат непрозрачни за други части на спектъра (например червеното стъкло не пропуска зелени лъчи). Обикновеното стъкло не пропуска ултравиолетово лъчение, а кварцовото стъкло е прозрачно за ултравиолетовото лъчение. За рентгеновите лъчи прозрачните материали са материали, които изобщо не пропускат видима светлина. И т.н.
Светлината се състои от частици, наречени фотони. Фотоните с различни "цветове" (честоти) носят различни части енергия.
Фотоните могат да се абсорбират от материята, като прехвърлят енергия към нея и я нагряват (добре позната на всеки, който прави слънчеви бани на плажа). Светлината може да се отрази от веществото, след като попадне в очите ни, така че виждаме предмети около нас, а в пълна тъмнина, където няма източници на светлина, не виждаме нищо. И светлината може да премине през вещество - и тогава ние казваме, че това вещество е прозрачно.
Различните материали в различни пропорции поглъщат, отразяват и пропускат светлина и поради това се различават по своите оптични свойства (по -тъмни и по -светли, различни цветове, гланц, прозрачност): саждите поглъщат 95% от падащата върху него светлина, а полирано сребърно огледало отразява 98% на светлината. Създаден е материал на базата на въглеродни нанотръби, който отразява само 45 хилядни от процента на падащата светлина.
Възникват въпроси: кога фотонът се поглъща от материята, кога се отразява и кога преминава през материята? Сега ни интересува само третият въпрос, но по пътя ще отговорим на първия.
Взаимодействието на светлина и материя е взаимодействието на фотони с електрони. Електронът може да абсорбира фотон и да излъчва фотон. Няма отражение на фотоните. Отражението на фотоните е двустепенен процес: поглъщане на фотон и последващо излъчване на точно същия фотон.
Електроните в един атом могат да заемат само определени орбити, всяка от които има собствено енергийно ниво. Атомът на всеки химичен елемент се характеризира със собствен набор от енергийни нива, тоест разрешените орбити на електрони (същото важи и за молекулите, кристалите, кондензираното състояние на материята: саждите и диамантът имат едни и същи въглеродни атоми, но оптичните свойства на веществата са различни; металите, фино отразяваща светлина, са прозрачни и дори променят цвета си (зелено злато), ако са направени тънки филми; аморфното стъкло не пропуска ултравиолетова светлина, а кристалното стъкло от същите молекули на силициев оксид е прозрачно до ултравиолетово лъчение).
Поглъщайки фотон с определена енергия (цвят), електронът се премества на по -висока орбита. Напротив, като излъчва фотон, електронът отива в по -ниска орбита. Електроните могат да абсорбират и излъчват не фотони, а само тези, чиято енергия (цвят) съответства на разликата в енергийните нива на този конкретен атом.
По този начин как светлината ще се държи, когато срещне вещество (отразено, погълнато, преминало през него) зависи от това какви са разрешените нива на енергия на дадено вещество и каква енергия имат фотоните (тоест какъв цвят е светлината, падаща върху веществото ).
За да може един фотон да бъде погълнат от един от електроните в атома, той трябва да има строго определена енергия, съответстваща на енергийната разлика на всяко две енергийни нива на атома, в противен случай той ще прелети. В стъклото разстоянието между отделните енергийни нива е голямо и нито един фотон от видимата светлина няма съответната енергия, която би била достатъчна за електрона, погълнал фотона, да скочи на по -високо енергийно ниво. Следователно стъклото позволява на фотоните на видимата светлина да преминават. Но фотоните на ултравиолетовата светлина имат достатъчно енергия, така че електроните поглъщат тези фотони и стъклото задържа ултравиолетовата светлина. В силициевото стъкло разстоянието между разрешените енергийни нива (енергийна междина) е още по -голямо и следователно фотоните на не само видимата, но и ултравиолетовата светлина нямат достатъчно енергия, за да могат електроните да ги абсорбират и да се придвижат до горните допустими нива.
И така, фотоните на видимата светлина преминават през стъклото, тъй като нямат необходимата енергия за преместване на електроните на по -високо енергийно ниво и следователно стъклото изглежда прозрачно.
Чрез добавяне на примеси с различен енергиен спектър към стъклото, то може да бъде оцветено - стъклото ще абсорбира фотони с определени енергии и ще предава останалата част от фотоните на видимата светлина.
Имаше моменти, когато дъбената кожа се смяташе за признак на нисък произход и благородните дами се опитваха да предпазят лицето и ръцете си от слънчевите лъчи, за да поддържат аристократична бледност. По -късно отношението към тен се промени - то се превърна в незаменим атрибут на здрав и успешен човек. Днес, въпреки продължаващия дебат относно ползите и вредите от излагането на слънце, бронзовият тон на кожата все още е на върха на популярността. Но не всеки има възможност да посети плажа или солариума и в тази връзка мнозина се интересуват дали е възможно да се слънчеви бани през прозореца, седнали например на остъклена лоджия или таванско помещение, загрято от слънцето.
Вероятно всеки професионален шофьор или просто човек, който прекарва дълго време зад волана на кола, е забелязал, че ръцете и лицето му стават леко почернели с времето. Същото важи и за офис работниците, които са принудени да седят на безпрепятствен прозорец през цялата работна смяна. По лицата им често можете да намерите следи от слънчево изгаряне, дори през зимата. И ако човек не е посетител на солариуми и не прави ежедневна разходка из парковете, тогава това явление не може да се обясни по друг начин освен с тен през стъкло. Така че стъклото пропуска ли ултравиолетова светлина и можете ли да слънчеви бани през прозореца? Нека го разберем.
Природата на тен
За да отговорите на въпроса дали можете да получите тен през обикновеното стъкло на прозореца в кола или на лоджия, трябва да разберете как точно протича процесът на потъмняване на кожата и какви фактори влияят върху него. На първо място, трябва да се отбележи, че тенът не е нищо повече от защитна реакция на кожата към слънчевата радиация. Под въздействието на ултравиолетовото лъчение, клетките на епидермиса (меланоцитите) започват да произвеждат веществото меланин (тъмен пигмент), поради което кожата придобива бронзов оттенък. Колкото по -висока е концентрацията на меланин в горните слоеве на дермата, толкова по -интензивен е тенът. Не всички UV лъчи предизвикват такава реакция, а само тези, които лежат в много тесен диапазон на дължините на вълните. Ултравиолетовите лъчи условно се разделят на три вида:
- A-лъчи (дълги вълни)- практически не се задържат от атмосферата и свободно достигат до земната повърхност. Такова излъчване се счита за най -безопасното за човешкото тяло, тъй като не активира синтеза на меланин. Всичко, което може да направи, е да причини леко потъмняване на кожата и то само при продължително излагане. Въпреки това, при прекомерна инсолация с дълги вълни, колагеновите влакна се разрушават и кожата се дехидратира, в резултат на което тя започва да старее по-бързо. А някои хора развиват алергия към слънцето именно заради А-лъчите. Дълго вълновото излъчване лесно преодолява дебелината на прозоречното стъкло и води до постепенно избледняване на тапети, мебелни повърхности и килими, но е невъзможно да се получи пълноценен загар с негова помощ.
- В-лъчи (средна вълна)- се задържат в атмосферата и достигат само частично до земната повърхност. Този вид радиация има директен ефект върху синтеза на меланин в кожните клетки и допринася за появата на бърз тен. И с интензивния му ефект върху кожата се появяват изгаряния в различна степен. В-лъчите не могат да проникнат през обикновеното прозорче.
- C-лъчи (къси вълни)- представляват огромна опасност за всички живи организми, но за щастие те са почти напълно неутрализирани от атмосферата, без да достигат повърхността на Земята. Човек може да срещне такова излъчване само високо в планините, но дори и там ефектът му е изключително отслабен.
Физиците разграничават друг вид ултравиолетова радиация - екстремна, за която често се използва терминът "вакуум" поради факта, че вълните от този диапазон се абсорбират напълно от земната атмосфера и не падат върху земната повърхност.
Можете ли да почернявате през стъкло?
Дали можете да получите тен през стъклото на прозореца или не, зависи пряко от това какви свойства притежава. Факт е, че очилата са от различен тип, всеки от които се влияе от UV лъчите по различни начини. По този начин органичното стъкло има висок капацитет на предаване, което прави възможно да се осигури преминаването на целия спектър на слънчевата радиация. Същото важи и за кварцовото стъкло, което се използва в лампи за тен и в устройства за обеззаразяване на помещения. Обикновеното стъкло, използвано в жилищни помещения и автомобили, пропуска изключително дълги вълни от тип А и е невъзможно да се слънчеви бани през него. Друг е въпросът, ако го замените с плексиглас. След това можете да слънчеви бани и да се насладите на красив тен почти през цялата година.
Въпреки че понякога има моменти, когато човек прекарва известно време под слънчевите лъчи, преминаващи през прозореца, и след това открива лек загар върху откритите участъци от кожата. Разбира се, той е напълно уверен, че е изгорял на слънце именно от инсолация през стъклото. Но не е така. Има много просто обяснение за това явление: промяна в нюанса в този случай възниква в резултат на активирането на малко количество остатъчен пигмент (меланин), който е в кожните клетки, развит под въздействието на ултравиолетовия тип В . По правило този "тен" е временен, тоест бързо изчезва. Накратко, за да получите пълноценен загар, трябва или да посещавате солариум, или редовно да правите слънчеви бани и няма да работи за постигане на промяна в естествения тон на кожата към по-тъмен през обикновен прозорец или стъкло на кола.
Трябва ли да се защитавам?
Само тези хора, които имат много чувствителна кожа и предразположение към появата на старчески петна, трябва да се притесняват дали е възможно да се получи тен през стъклото. Те се съветват постоянно да използват специални продукти с минимална степен на защита (SPF). Такава козметика трябва да се прилага главно върху лицето, шията и деколтето. Не си струва обаче да се предпазвате прекалено активно от ултравиолетовото лъчение, особено от дълги вълни, тъй като слънчевите лъчи в умерени количества са много полезни и дори необходими за нормалното функциониране на човешкото тяло.
Погледни през прозореца. Ако носите очила, сложете ги. Вземете бинокъла си и не забравяйте лупата си. Какво виждаш? Без значение какво гледате, няколко слоя стъкло няма да пречат на зрението ви. Но как е възможно такова твърдо вещество да е практически невидимо?
За да разберете това, трябва да знаете структурата на стъклото и естеството на неговия произход.
Всичко започва със земната кора, която се състои предимно от силиций и кислород. Тези елементи образуват силициев диоксид в реакцията, чиито молекули са подредени в правилна кристална решетка от кварц. По -специално, пясъкът, използван за производството на стъкло, е богат на кристален кварц. Вероятно знаете, че стъклото е твърдо и изобщо не се състои от малки парчета кварц и това не е случайно.
Първо, грапавите ръбове на зърната пясък и микродефекти в кристалната структура отразяват и разсейват падащата светлина. Но ако кварцът се нагрее до високи температури, молекулите започват да вибрират повече, което ще доведе до скъсване на връзката между тях. И самият кристал ще се превърне в течност, точно както ледът се превръща във вода. Вярно, с единствената разлика: когато се охлади обратно в кристала, кварцовите молекули вече няма да се събират. Напротив, тъй като молекулите губят енергия, вероятността за подреждане само намалява. Резултатът е аморфно тяло. Твърдо вещество със свойства на течност, което се характеризира с липсата на междукристални граници. Благодарение на това, на микроскопично ниво, стъклото става хомогенно. Сега светлината преминава през материала почти безпрепятствено.
Но това не обяснява защо стъклото пропуска светлината и не я абсорбира, подобно на други твърди вещества. Отговорът се крие в най-малкия мащаб, вътреатомния. Въпреки че мнозина са наясно, че атомът се състои от ядро и електрони, които се въртят, колко от тях знаят, че атомът е почти перфектна празнота? Ако атомът беше с размерите на футболен стадион, тогава ядрото е с размерите на грахово зърно в центъра на полето, а електроните биха били малки песъчинки някъде в задните редове. По този начин има повече от достатъчно място за свободно преминаване на светлината.
Въпросът не е защо стъклото е прозрачно, а защо другите предмети не са прозрачни. Всичко е свързано с енергийните нива, при които електроните са в атома. Можете да си ги представите като различни редове на нашия стадион. Електронът има определено място в един от редовете. Ако обаче има достатъчно енергия, може да скочи на друг ред. В някои случаи поглъщането на един от фотоните, преминаващи през атома, ще осигури необходимата енергия. Но тук е уловката. За да прехвърли електрон от ред на ред, фотонът трябва да има строго определено количество енергия, в противен случай той ще прелети. Това се случва със стъклото. Редовете са толкова далеч един от друг, че енергията на фотона на видимата светлина просто не е достатъчна за преместване на електрони между тях.
И фотоните от ултравиолетовия спектър имат достатъчно енергия, така че те се абсорбират и тук, колкото и да се опитвате, криейки се зад стъклото, няма да почернете. През изминалия век от производството на стъкло хората напълно са оценили уникалното му свойство да бъде едновременно твърдо и прозрачно. От прозорци, които пропускат дневна светлина и предпазват от атмосферните влияния, до устройства, които ви позволяват да погледнете далеч в космоса или да наблюдавате микроскопични светове.
Да лишим съвременната цивилизация от стъкло и какво ще остане от нея? Колкото и да е странно, рядко се замисляме колко е важно. Вероятно това се случва, защото като прозрачно, стъклото остава невидимо и ние забравяме, че е така.
Ключови думи:структура на стъклото, произход на стъклото, Наука на портала Експеримент, научни статии
Зареждане ...