Почему свет проходит через стекло

Почему стекло пропускает свет. Почему стекло пропускает свет, какова сама физика явления?

Аморфная структура стекла тут ни при чём: кварц или алмаз, например, имеют кристаллическую структуру, но тоже прозрачны.

Если в общих чертах, то свет поглощается атомами вещества (не отдельными электронами, а именно атомами, как системой в целом) , при этом атом переходит в возбуждённое состояние. Если возбуждённое состояние достаточно стабильное, то атом так и остаётся в этом состоянии на значительное время. Однако, в зависимости от строения вещества, у возбуждённого атома может иметься возможность перейти в нормальное состояние без испускания фотона поглощённой частоты, а отдать энергию молекуле и соседним атомам другим способом (например, усилив тепловые колебания решетки) . Это будет тоже электромагнитное взаимодействие, но уже не в оптическом диапазоне. В таком процессе свет поглощается — вещество непрозрачно. А если вероятность процессов перехода в нормальное состояние другими способами мала, то возбуждённый атом испускает фотон с теми же частотой и поляризацией, что были у поглощённого фотона, — свет проходит через вещество.

Но, понятно, время прохождения света через стекло будет больше, чем время прохождения света через вакуумный промежуток такой же толщины. Причём заметно меньше! Например, показатель преломления 2 означает, что скорость света в таком веществе в 2 раза ниже, чем в вакууме. И именно за счёт того, что фотоны некоторое время оказываются поглощёнными атомами и переизлучаются лишь через какой-то промежуток времени.

Остальные ответы

Стекло — это аморфное тело и даже будучи твердым, его структура такова, что фотоны свободно проходят от атома к атому, не поглощаясь и не отражаясь. То есть, электроны атомов стекла практически полностью поглощают энергию света, становятся нестабильными и передают её другим атомам и электронам, не отражая обратно; энергетический уровень атомов такой, что они не поглощают свет в видимом диапазоне (но могут поглощать в ультрафиолетовом и инфракрасном спектрах) и пространство между двумя атомами напоминает вакуум, что позволяет фотонам практически не терять своей скорости; молекулярная структура стекла такова, что фотоны не «застряют» в нём из-за внутренних отражений, а свободно проходят дальше. При этом, впрочем, стекло может отражать часть света на своей внешней границе, где оно соприкасается с воздухом, к примеру (это свойство используется в производстве солнцезащитных очков, к примеру).

Введение в Год Науки или Почему стекло прозрачное?

Радоваться не стоит, ведь вы будете Вынуждены узнать в этом году Очень много о современной Науке! Недавно я провел соцопрос – хотите ли бы Вы регулярно узнавать что-то новое о строении окружающего Вас Мира? И был удивлен, когда 83% ! ответило – Конечно же, ДА!

Так что у нас есть еще время до конца года, чтобы сделать несколько Открытий!

Открытие #1

Все материалы состоят из атомов. Строение атома таково, что у него есть ядро, окруженное электронами – и вот эти самые ядра, окруженные электронами, располагаются определенным образом внутри материала. И, оказывается, что атомы находятся слишком близко друг к другу (на расстоянии порядка 3*10-10 метра) и оказывают друг на друга слишком большое влияние. Кроме того, атомов в материале огромное количество – их порядка 10 в 22ой степени штук в одном кубическом сантиметре (10 000 000 000 000 000 000 000 – вот столько). Теоретически можно и нужно (очень хотелось бы) знать точное значение энергии каждого электрона в электрическом поле всех других электронов (в достаточно сложных условиях, ведь их слишком много), – Но решить такую систему уравнений невозможно. Физики придумали как приблизительно описать поведение всех электронов в кристалле (а их еще больше, чем атомов) – придумали Зонную Теорию и разбили все электроны на два класса.

Валентные электроны, связанные с атомами, либо участвующие в образовании химических связей в кристалле имеют меньшее значение энергии. И электроны проводимости (как бы свободные) – способные передвигаться внутри кристалла. С точки зрения современной физики, электроны не могут передвигаться абсолютно свободно, они располагаются на определенных энергетических уровнях. Набор уровней энергии, на которых располагаются валентные электроны – это валентная зона, а набор уровней энергии, на которых располагаются свободные электроны, — это зона проводимости. Кроме того, есть определенные значения энергии, которые электрон не может принимать ни при каких условиях — и все эти значения энергии (энергетические уровни) – являются Запрещенной Зонной.

И вот наконец-то Открытие #1 — оказывается, что все материалы можно разделить на три вида! (расскажите мне, если кто знает, почему об этом не рассказывают в школе. ) Диэлектрики – полупроводники – металлы! Всего лишь нужно определиться какая у данного материала величина запрещенной зоны – если ее нет, то это металл (Огромное количество свободных электронов). Если она совсем небольшая, то это полупроводник (только небольшая часть электронов является свободными и в чистом полупроводнике их как правило недостаточно, для того чтобы проводить ток). И материалы, в которых запрещенная зона большая, — это диэлектрики (они не проводят ток ни при каких условиях).

Если захотеть, то часть электронов из валентной зоны можно перевести в зону проводимости и сильно изменить свойства материала. Для этого нужно или добавить в материал атомы другого типа или использовать какое-либо внешнее воздействие (нагрев, свет и тд), которое сообщит электронам достаточное количество энергии, чтобы они смогли перепрыгнуть всю запрещенную зону. Переход возможен только из валентной зоны в зону проводимости и обратно – в запрещенной зоне электроны располагаться не могут!

Когда то давно Человечество (а точнее только некоторые из людей, потому что остальным было безразлично) узнали, что электричество и магнетизм взаимосвязаны и развили теорию электромагнитного поля и электромагнитных волн. Потратили лет … много). И все вроде рады и довольны и радио работает и телевидение и много чего еще. Но уже более 100 лет назад у Макса Планка появилась гипотеза о том, что свет испускается (или переносится) маленькими порциями или квантами, которые позднее получили название фотоны. Позже Луи де Бройль расширил эту теорию на весь спектр электромагнитных волн. Совместные труды Планка, Эйнштейна, Де Бройля и др. разрушили стройную картину мира и доказали, что любому объекту в нашем мире, обладающему какой-либо энергией можно поставить в соответствие волну с определенными параметрами. И что для нас наиболее важно, любая волна может рассматриваться физиками как частица или объект с определенной энергией.

Огромное число реальных экспериментов (и реальных применений) может быть рассчитано и объяснено только используя понятие волны для света или других электромагнитных волн – обычные оптические приборы (объективы, бинокли, микроскопы), а также радио, телевидение и др. НО огромное количество экспериментов и применений объяснимо только с использованием частиц-фотонов, которые обладают определенной энергией. Здесь нет никакого противоречия, просто физические теории пока еще далеки от претензий на Полное описание строения мира.

Посмотрите на спектр солнечного света. Радугой показана та часть, которую мы можем увидеть глазом, меньшая часть (47%). Около 51% спектра закрашено светло серым – это инфракрасное излучение, оно нас греет, но глазом увидеть его уже невозможно.

Мы уже приближаемся к Открытию. Оказывается, что взаимосвязь энергии и длины волны, которую установила Могучая Кучка гласит, что чем больше длина волны, тем меньше энергия частицы-кванта-фотона. И наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия – они обратнопропорциональны. Прекрасная красная стрелка внизу показывает именно Это, она направлена в другую сторону!

А что это там за циферки стоят? Оказывается, что энергию частиц-квантов-фотонов обычно измеряют в тех же единицах, что и самую важную в мире величину – Ширину (величину) Запрещенной Зоны любого материала. Напоминаю — у металлов это 0 (ноль), у диэлектриков более 3,5. А то, что между 0 и 3,5 – это полупроводники. Как мы видим, энергия квантов света в видимой области длин волн (радуга на рисунке) имеет значения от 1,5 до 3,0 — то есть меньше, чем необходимое значения для поглощения в стекле (диэлектрик, а значит запрещенная зона более 3,5), НО может прекрасно поглощаться различными полупроводниками (кремний, германий, арсенид галлия и др.). И в продолжение Открытия можно добавить – что для того, чтобы эффективно поглощать солнечный свет нужно найти или создать такой материал, ширина запрещенной зоны которого, будет позволять поглотить максимальное количество солнечного света.

Теперь можно попытаться ответить, например, на такой вопрос – Почему современные солнечные элементы так малоэффективны?

• физика
• годнавуки
• строение вещества
• солнечный элемент

• Научно-популярное
• Нанотехнологии
• Физика

Почему стекло прозрачное?

Думаем, не нужно лишний раз рассказывать о том, зачем нужны окна. Они делают наши квартиры уютнее и светлее, потому что пропускают свет. Но вы когда-нибудь задумывались, почему мы видим через стекло в окне, но не видим через деревянную или пластиковую раму? В конце концов, оба материала прочны и защищают наш дом от дождя, снега и ветра. Тем не менее древесина и пластик полностью блокируют свет, а стекло позволяет ему беспрепятственно проникать внутрь. Так что же делает стекло прозрачным?

Возможно, вы уже слышали, как некоторые ученые и обычные люди пытаются ответить на этот вопрос, заявляя, что дерево – настоящее твердое вещество, а стекло – очень вязкая жидкость. По их словам, атомы в стекле располагаются дальше друг от друга и образованные промежутки позволяют проникать свету. Приверженцы этой теории даже ссылаются на окна многовековых домов, которые часто имеют неравномерную или волнистую поверхность, как на доказательство того, что на протяжении многих лет стеклянное вещество «течет», как патока в холодный день.

На самом же деле стекло вовсе не жидкость. Это особый вид твердого тела – аморфное твердое вещество. В аморфном веществе нет кристаллических решеток, атомы и молекулы располагаются в хаотичном порядке. Поэтому стекло жесткое, как твердые вещества, но имеет разупорядоченное расположение молекул, как в жидкостях. Аморфные тела образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается, – такой процесс называют закалкой.

Стекло во многом похоже на керамику и обладает такими же свойствами: долговечностью, прочностью, хрупкостью, высокой электро- и термостойкостью и отсутствием реакционной способности. Но у оксидного (обычного) стекла, из которого делают листовое стекло, контейнеры и лампочки, есть еще одно важное качество: оно пропускает диапазон видимого света. И для того чтобы понять, как это происходит, нужно внимательно взглянуть на атомную структуру стекла и выяснить, каким образом с ней взаимодействуют фотоны, мельчайшие частицы света.

Об электронах и фотонах

Электроны окружают ядро атома, занимая разные энергетические уровни и подуровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий уровень, электрон должен обладать высокой энергией. И напротив, чтобы переместиться с более высокого на более низкий – электрон должен ее испустить. В любом случае отрицательно заряженная частица меняет уровень, испуская или поглощая фотоны определенной частоты.

Теперь нужно рассмотреть, как двигается фотон, взаимодействующий с твердым веществом. Возможно три сценария:

1. Вещество поглощает фотон. Это происходит, когда фотон отдает свою энергию электрону, расположенному в веществе. Вооруженный этой дополнительной энергией, электрон перемещается на более высокий энергетический уровень, а фотон исчезает.

2. Вещество отражает фотон. В этом случае фотон отдает свою энергию веществу, а сам исчезает.

3. Вещество пропускает фотон без изменений. Этот процесс называется передачей. Это происходит потому, что фотон не взаимодействует с электроном и продолжает свой путь, пока не начнет взаимодействовать с другим объектом.

Несомненно, стекло попадает под последнюю категорию. Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы электрон в стекле переместился на более высокий энергетический уровень. Физики иногда говорят об этом с точки зрения зонной теории.

Согласно ней, энергетические уровни существуют в энергетических зонах, которые разделены зонами запрещенных энергий, где уровни энергии для электронов отсутствуют. Некоторые материалы имеют запрещенные зоны большей величины, чем другие, – от этого и зависят их оптические свойства. Стекло – как раз один из таких материалов, что означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем перейти от одной энергетической зоны к другой и обратно.

На видимый свет (с длиной волны от 400 до 700 нанометров), которому соответствуют цвет индиго, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный, приходится небольшой диапазон энергий фотонов. Этот диапазон не воспринимает диоксид кремния – основной компонент стекла. Следовательно, фотоны видимого света проходят сквозь стекло, не поглощаются и не отражаются, делая материал прозрачным.

На длинах волн меньше видимого света фотоны начинают обладать энергией, которой хватает для перемещения электронов в стекле из одной энергетической зоны в другую. Так, ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол – они используются при изготовлении окон. Именно поэтому стекло непрозрачно для ультрафиолета, точно так же, как дерево – для видимого света.

почему свет проходит через стекло

Если коротко: стекло пропускает видимый свет потому, что фотоны видимого света обладают недостаточной энергией для того, чтобы возбудить электроны в молекулах, составляющих стекло.

Теперь более длинно. Вещество может быть НЕпрозрачно потому, что оно отражает падающий свет или потому, что оно поглощает падающий свет. Чтобы хотя бы одна из этих вещей могла произойти, падающий свет должен провзаимодействовать с электронами в веществе, то есть «встряхнуть» их, передать им энергию. В металлах есть свободные электроны, так называемый электронный газ, которые могут поглотить энергию в очень широком диапазоне. Поэтому металлы отражают свет в очень широком диапазоне длин волн, включая и видимую часть спектра. Но в стекле свободных электронов нет, они все привязаны к «своим» атомам и молекулам. Теория говорит, что в этом случае они могут поглощать НЕ ЛЮБУЮ порцию энергии. Есть минимальная энергия, меньше которой они поглотить не могут. Если энергия падающего фотона меньше, то он пройдет насквозь, ни с чем не провзаимодействовав. Это и происходит с видимым светом в стекле.

Кстати, если на стекло падает ультрафиолетовый свет. у которого фотоны более энергичны, чем в видимом свете, то оказывается, что энергии фотонов достаточно для возбуждения электронов в стекле. Поэтому стекло непрозрачно для ультрафиолета: сидя за стеклом, загореть практически невозможно.

Остальные ответы
наверно, из за молекулярной структуры стекла
почему ты видишь через стекло?)
А что, не должен ?

свет, звук — это волны, с определенной частотой колебаний. от частоты колебаний зависит прохождение этих волн через различные препятствия. прозрачное стекло пропускает практически весь спектр видимого излучения, красное стекло пропускает только красную составляющую спектра, и любое стекло почти не пропускает звуковые волны.

стекло прозрачное

Механизм прозрачности
Электромагнитная волна воздействует на заряды в атомах и молекулах вещества так, что те начинают собственные колебания и переизлучают её, отражая или преломляя волновой фронт.

Источник: Учись Googlить!

Ну а при переходе к рентгеновскому диапазону, стекло вновь становится прозрачным? Стало быть в зависимости максимум.