Почему стекло пропускает свет физика процесса. Почему стекло прозрачное? Почему газы прозрачны, а твердые тела нет

Для начала, скажем, несколько слов о твердых телах, жидкостях и газах. В твердом теле молекулы плотно притянуты друг к другу. Они буквально слиплись вместе.

Вот почему твердые тела имеют конечную форму, например мяча или кубика. Но хотя молекулы упакованы очень плотно, они все же слегка вибрируют около своего среднего положения (ничто в природе не стоит на месте).

Молекулы в жидкостях и газах

В жидкостях молекулы соединены друг с другом более свободно. Они скользят и смещаются относительно друг друга. Поэтому жидкости текучи и занимают весь объем сосуда, в который их наливают. В газах молекулы совершенно не связаны друг с другом. Они с высокими скоростями разлетаются во всех направлениях. Средняя скорость полета молекулы водорода при температуре 0 градусов Цельсия составляет 5600 километров в час. Между молекулами газа остается масса свободного места. Вы можете пройти через газовое облако и даже не заметить этого.

Материалы по теме:

Как делают елочные игрушки?

Почему газы прозрачны а твердые тела нет?

Температура играет решающую роль в том, будет ли данное вещество твердым, жидким или газообразным. При нормальном давлении на поверхности земли при температуре 0 градусов Цельсия и ниже вода - твердое тело. При температурах между 0 и 100 градусами Цельсия вода - жидкость. При температуре выше 100 градусов Цельсия вода - газ. Пар из кастрюли распространяется по кухне равномерно во все стороны.

На основании вышесказанного предположим, что сквозь газы можно видеть, а сквозь твердые тела это невозможно. Но некоторые твердые вещества, например такие, как стекло, столь же прозрачны, как воздух. Как это получается? Большинство твердых веществ поглощает падающий на них свет. Часть поглощенной световой энергии уходит на нагревание тела. Большая часть падающего света отражается. Поэтому мы видим твердое тело, но не можем видеть сквозь него.

Материалы по теме:

Почему стекло прозрачно?

Молекулы стекла поглощают фотоны падающего на него света. В тот же момент молекулы стекла испускают в том же направлении такие же фотоны. Стекло поглощает фотоны и испускает в том же направлении такие же фотоны. Вот таким образом стекло оказывается прозрачным, то есть фактически оно пропускает свет. С водой и другими практически бесцветными жидкостями происходит та же история. Большая часть падающего света переносится молекулами. Некоторые фотоны поглощаются, и их энергия расходуется на нагревание жидкости.

В газах молекулы находятся на дальних расстояниях друг от друга. Лучи света могут пройти сквозь газовое облако, не встретив на своем пути ни одной молекулы. Так происходит с большинством фотонов солнечного света, проходящих через земную атмосферу. Свет при столкновении с молекулами газа рассеивается. При столкновении белого света с молекулой он расщепляется в цветовой спектр. Поэтому, видимо, газы земной атмосферы выглядят голубыми. Несмотря на это, они считаются прозрачными.

Материалы по теме:

Состав атмосферы Земли, размер молекулы воздуха

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

• Что такое венецианское стекло и…
• Почему человек зевает и почему…
• Почему человек не узнаёт свой…

Выгляните в окно. Если носите очки, наденьте их. Возьмите бинокль и не забудьте про лупу. Что вы видите? На чтобы вы не смотрели, многочисленные слои стекла вашему зрению мешать не будут. Но как же так получается, что столь твердое вещество практически невидимо?

Чтобы разобраться в этом, надо знать структуру стекла и природу его происхождения.

Начинается все с земной коры, состоящей по большей части из кремния и кислорода. Эти элементы образуют в реакции диоксид кремния, молекулы которого выстраиваются в правильную кристаллическую решетку кварца. Кристаллическим кварцем в частности богат идущий на изготовление стекла песок. Вам наверняка известно, что стекло сплошное и вовсе не состоит из мелких кусочков кварца, и это неспроста.

Во-первых, грубые края песчинок и микродефекты в кристаллической структуре отражают и рассеивают падающий на них свет. Но если нагреть кварц до высоких температур, молекулы начнут колебаться сильнее, что приведет к разрыву связи между ними. А сам кристалл превратится в жидкость, также как превращается в воду лед. Правда, с единственным отличием: при остывании обратно в кристалл молекулы кварца уже не соберутся. Напротив, по мере того, как молекулы теряют энергию, вероятность упорядочения только падает. В итоге получается аморфное тело. Твердое вещество со свойствами жидкости, для которой характерно отсутствие межкристаллических границ. Благодаря этому, на микроскопическом уровне стекло приобретает однородность. Теперь свет проходит через материал почти беспрепятственно.

Но это не объясняет, почему стекло пропускает свет, а не поглощает его, как остальные твердые тела. Ответ кроется на самом малом масштабе, внутриатомном. Хотя многие в курсе, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг электронов, многим ли известно, что атом едва ли не идеальная пустота? Если бы атом был размером с футбольный стадион, то ядро размером с горошину в центре поля, а электроны были бы крошечными песчинками где-то на задних рядах. Таким образом, место для свободного прохождения света более, чем достаточно.

Вопрос не в том, почему стекло прозрачное, а в том, почему не прозрачны другие объекты. Все дело в энергетических уровнях, на которых находятся электроны в атоме. Можно представить их в виде различных рядов на нашем стадионе. У электрона есть определенное место на одном из рядов. Однако, если у него достаточно энергии, он может перепрыгнуть на другой ряд. В ряде случаев поглощение одного из проходящих через атом фотонов как раз и обеспечит необходимую энергию. Но тут загвоздка. Чтобы перебросить электрон с ряда на ряд, фотон должен обладать строго определенным количеством энергии, иначе он пролетит мимо. Так и происходит со стеклом. Ряды так далеко друг от друга, что энергии фотона видимого света просто недостаточно для перемещения электронов между ними.

А у фотонов ультрафиолетового спектра энергии хватает, поэтому они поглощаются, и тут уж как ни старайся, спрятавшись за стеклом, не загоришь. За столетие, прошедшее с получения стекла, люди сполна оценили его уникальное свойство быть одновременно и твердым, и прозрачным. От окон, впускающих дневной свет, и защищающих от стихии, до приборов, позволяющих заглядывать далеко в космос, или наблюдать микроскопические миры.

Лишите современную цивилизацию стекла, и что от нее останется? Как ни странно, мы редко задумываемся о том, насколько оно важно. Наверное, так происходит потому что, будучи прозрачным, стекло остается незаметным, и мы забываем о том, что оно есть.

Ключевые слова: структура стекла,происхождение стекла,Наука на портале Эксперимент,научные статьи

07.02.2017 15:49 850

Почему стекло прозрачное.

Стекло, это очень важный материал, который человек использует в разных сферах жизни. Из него делают окна, посуду, зеркала, линзы для очков и т.д...

Вот представьте себе: возвращаетесь вы из школы и обнаруживаете, что в окнах вашей квартиры нет стёкол. Исчезла также из дома и вся стеклянная посуда. Вы хотите посмотреть на своё удивлённое лицо в зеркало, но и его не оказалось на месте... Да и многих других полезных вещей у нас бы сейчас не было, если бы в своё время не появилось стекло.

В нашей статье, мы расскажем вам историю стекла, как оно вошло в нашу жизнь и почему оно такое прозрачное. Кто же изобрел этот полезный, хрупкий материал? Как ни странно - никто. Дело в том, что стекло было создано самой природой.

Когда-то давным-давно, еще за много миллионов лет до появления на земле первого человека, стекло уже существовало. А образовалось оно из сначала раскалённой, а затем остывшей лавы, вырвавшейся на поверхность из вулканов. Это природное стекло называется сейчас обсидианом.

Однако остеклять, например, окна, им было нельзя. И не только потому, что окон тогда ещё не было, но и потому, что природное стекло имеет грязно-серый цвет, и через него абсолютно ничего не видно.

Так как же появилось стекло, пригодное для употребления,то есть прозрачное? Может быть люди научились его отмывать? Увы, природное стекло грязное не снаружи, а изнутри, поэтому здесь не помогут никакие даже самые современные моющие средства...

О том, как люди впервые сделали стекло, приближённое к современному, существует несколько легенд. Все они очень однообразны и их смысл сводится к тому, что путешественники, не имея под рукой камней для очага, использовали вместо них куски природной соды.

Причем, происходило это в пустыне или на берегу водоёма, там, где обязательно был песок. И вот под воздействием огня сода и песок плавились и соединялись вместе, образуя стекло. Люди долгое время верили в эти легенды. Но совсем недавно выяснилось, что всё это неправда, потому что жара исходящего от костра, для такого сплава недостаточно.

Производить стекло своими руками люди начали более 5-ти тысяч лет назад, было это в Египте. Правда, и тогда оно прозрачным не было, а из-за того, что в песке попадались посторонние примеси, имело зелёный или синий оттенок. Но постепенно на Востоке научились избавляться от этих примесей. Судя по раскопкам, первыми стеклянными изделиями были бусы.

Чуть позже стеклом стали покрывать посуду. А на то, чтобы научиться делать её полностью из стекла, чекловеку потребовалось ещё 2 тысячи лет. Секрет производства стекла был в те времена настолько ценен, что правительство Венеции в начале ХIII века для его выяснения направило на восток специальных людей.В результате, венецианцы этот секрет раздобыли.

Они наладили собственное производство и смогли сделать стекло ещё более прозрачным, догадавшись добавлять в его состав немного свинца. Сначала стекло изготавливалось в самой Венеции. Местные власти очень боялись, что кто-то узнает секрет производства, поэтому район, где эти мастерские располагались, был всегда оцеплён солдатами.

Никто из рабочих занятых производством стекла не имел права покинуть пределы города. За любую попытку это сделать к смертной казни приговаривался не только сам стеклодел, но и вся его семья. В конце концов было решено перенести мастерские на остров Мурано. Оттуда и сбежать было труднее, и попасть туда было тоже сложно.

В 1271 году венецианские шлифовщики научились делать из стекла линзы, которые сначала особым спросом не пользовались. Но в 1281 году догадались вставлять их в специально разработанные оправы.Так появились первые очки. Они стоили сначала настолько дорого, что являлись прекрасным подарком даже для королей и императоров.

В конце 15 века, когда в Венеции научились делать из стекла посуду, муранские (названные так в честь острова где их производили) изделия стали пользоваться во всём мире такой популярностью, что для их доставки пришлось строить дополнительные корабли.

Но усовершенствование стекла продолжалось и позже. Пришло время, и люди придумали покрывать его специальным составом – амальгамой, так появились зеркала.

В России производство стекла началось тысячу лет назад, в небольших мастерских. А в 1634 году под Москвой был построен первый стекольный завод.

Были времена, когда загорелая кожа считалась признаком низкого происхождения, и знатные дамы старались защитить лицо и руки от солнечных лучей, дабы сохранить аристократическую бледность. Позже отношение к загару изменилось - он стал непременным атрибутом здорового и успешного человека. Сегодня, несмотря на неутихающие споры относительно пользы и вреда инсоляции, бронзовый оттенок кожи по-прежнему находится на пике популярности. Вот только возможность посещать пляж или солярий есть не у всех, и в связи с этим многие интересуются, можно ли загореть через оконное стекло, расположившись, например, на прогретой солнцем застекленной лоджии или мансарде.

Наверное, каждый профессиональный водитель или просто человек, проводящий длительное время за рулем автомобиля, замечал, что кисти его рук и лицо со временем покрываются легким загаром. То же относится к офисным служащим, вынужденным сидеть всю рабочую смену у незанавешенного окна. На их лицах нередко можно обнаружить следы загара даже в зимний период. И если человек не является завсегдатаем соляриев и не совершает ежедневный променад по паркам, то иначе как загаром через стекло объяснить данное явление не получится. Так пропускает ли стекло ультрафиолет и можно ли загореть через окно? Давайте разбираться.

Природа загара

Для того чтобы ответить на вопрос, можно ли получить загар через обычное оконное стекло в машине или на лоджии, нужно разобраться в том, как именно происходит процесс потемнения кожных покровов и какие факторы оказывают на него влияние. В первую очередь следует отметить, что загар - это не что иное, как защитная реакция кожи на солнечное излучение. Под воздействием ультрафиолета клетки эпидермиса (меланоциты) начинают вырабатывать вещество меланин (темный пигмент), благодаря которому кожа и приобретает бронзовый оттенок. Чем выше концентрация меланина в верхних слоях дермы, тем интенсивнее получается загар. Однако такую реакцию вызывают не все УФ-лучи, а только лежащие в очень узком диапазоне длин волн. Ультрафиолетовые лучи условно подразделяются на три типа:

• А-лучи (длинноволновые) - практически не задерживаются атмосферой и беспрепятственно достигают земной поверхности. Такое излучение считается самым безопасным для человеческого организма, поскольку не активизирует синтез меланина. Все, на что оно способно, - это вызывать легкое потемнение кожных покровов, и то только при длительном воздействии. Однако при избыточной инсоляции длинноволновыми лучами происходит разрушение коллагеновых волокон и обезвоживание кожи, вследствие чего она начинает быстрее стареть. А у некоторых людей именно из-за А-лучей развивается аллергия на солнце. Длинноволновое излучение легко преодолевает толщу оконного стекла и приводит к постепенному выгоранию обоев, поверхности мебели и ковров, но полноценный загар с его помощью получить невозможно.
• В-лучи (средневолновые) - задерживаются в атмосфере и достигают поверхности Земли лишь частично. Данный тип излучения оказывает непосредственное влияние на синтез меланина в клетках кожи и способствует появлению быстрого загара. А при его интенсивном воздействии на коже возникают ожоги различной степени. Сквозь обычное оконное стекло В-лучи проникать не способны.
• С-лучи (коротковолновые) - представляют огромную опасность для всех живых организмов, но, к счастью, они практически полностью нейтрализуются атмосферой, не достигая поверхности Земли. Столкнуться с таким излучением можно только высоко в горах, однако и там его действие крайне ослаблено.

Физики выделяют еще один тип ультрафиолетового излучения - экстремальный, для которого часто используется термин «вакуумный» ввиду того, что волны данного диапазона полностью поглощаются атмосферой Земли и не попадают на земную поверхность.

Можно ли загореть через стекло?

Можно ли получить загар через оконное стекло или нет, напрямую зависит от того, какими свойствами оно обладает. Дело в том, что стекла бывают разных видов, на каждый из которых УФ-лучи воздействуют по-разному. Так, органическое стекло отличается высокой пропускной способностью, что позволяет обеспечить прохождение всего спектра солнечного излучения. То же самое касается и кварцевого стекла, которое используется в лампах для солярия и в устройствах для обеззараживания помещений. Обычное же стекло, применяемое в жилых помещениях и автомобилях, пропускает исключительно длинноволновые лучи типа А, и загореть через него нельзя. Другое дело, если заменить его оргстеклом. Тогда можно будет принимать солнечные ванны и наслаждаться красивым загаром практически круглый год.

Хотя иногда бывают случаи, когда человек проводит некоторое время под солнечными лучами, проходящими через окно, а потом обнаруживает на открытых участках кожи легкий загар. Разумеется, он находится в полной уверенности, что загорел именно путем инсоляции через стекло. Но это не совсем так. Существует весьма простое объяснение данному явлению: изменение оттенка в таком случае происходит в результате активизации небольшого количества остаточного, выработанного под воздействием ультрафиолета типа В пигмента (меланина), находящегося в клетках кожи. Как правило, такой «загар» носит временный характер, то есть быстро исчезает. Одним словом, для того чтобы приобрести полноценный загар, необходимо либо посещать солярий, либо регулярно принимать солнечные ванны, а добиться изменения естественного оттенка кожи в сторону более темного через обычное оконное или автомобильное стекло не получится.

Нужно ли защищаться?

Волноваться по поводу того, можно ли получить загар через стекло, надо только тем людям, которые имеют очень чувствительную кожу и предрасположенность к возникновению пигментных пятен. Им рекомендуется постоянно пользоваться специальными средствами с минимальной степенью защиты (SPF). Наносить такую косметику следует главным образом на лицо, шею и зону декольте. Однако слишком активно защищаться от ультрафиолета, тем более длинноволнового, все же не стоит, ведь солнечные лучи в умеренном количестве весьма полезны и даже необходимы для нормального функционирования человеческого организма.