Наука на порталі експеримент
Вигляньте в вікно. Якщо носите окуляри, надіньте їх. Візьміть бінокль і не забудьте про лупу. Що ви бачите? На що б Ви не дивилися, численні шари скла вашому зору заважати не будуть. Але як же так виходить, що настільки тверда речовина практично невидимо?
Щоб розібратися в цьому, треба знати структуру скла і природу його походження.
Починається все з земної кори, що складається здебільшого з кремнію і кисню. Ці елементи утворюють в реакції діоксид кремнію, молекули якого вибудовуються в правильну кристалічну решітку кварцу. Кристалічним кварцом зокрема багатий йде на виготовлення скла пісок. Вам напевно відомо, що скло суцільне і зовсім не складається з дрібних шматочків кварцу, і це неспроста.
По-перше, грубі краю піщинок і мікродефекти в кристалічній структурі відображають і розсіюють падаюче на них світло. Але якщо нагріти кварц до високих температур, молекули почнуть коливатися сильніше, що призведе до розриву зв'язку між ними. А сам кристал перетвориться в рідину, також як перетворюється в воду лід. Правда, з єдиною відмінністю: при охолодженні назад в кристал молекули кварцу вже не зберуться. Навпаки, у міру того, як молекули втрачають енергію, ймовірність упорядкування тільки падає. У підсумку виходить аморфне тіло. Тверда речовина з властивостями рідини, для якої характерна відсутність межкристаллических кордонів. Завдяки цьому, на мікроскопічному рівні скло набуває однорідність. Тепер світло проходить через матеріал майже безперешкодно.
Але це не пояснює, чому скло пропускає світло, а не поглинає його, як інші тверді тіла. Відповідь криється на самому малому масштабі, внутрішньоатомних. Хоча багато в курсі, що атом складається з ядра і що обертаються навколо електронів, багатьом відомо, що атом чи не ідеальна порожнеча? Якби атом був розміром з футбольний стадіон, то ядро розміром з горошину в центрі поля, а електрони були б крихітними піщинами десь на задніх рядах. Таким чином, місце для вільного проходження світла більше, ніж достатньо.
Питання не в тому, чому скло прозоре, а в тому, чому не прозорі інші об'єкти. Вся справа в енергетичних рівнях, на яких знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх у вигляді різних рядів на нашому стадіоні. У електрона є певне місце на одному з рядів. Однак, якщо у нього достатньо енергії, він може перестрибнути на інший ряд. У ряді випадків поглинання одного з проходять через атом фотонів якраз і забезпечить необхідну енергію. Але тут заковика. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон повинен мати строго певною кількістю енергії, інакше він пролетить повз. Так і відбувається зі склом. Ряди так далеко один від одного, що енергії фотона видимого світла просто недостатньо для переміщення електронів між ними.
А у фотонів ультрафіолетового спектра енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут вже як не старайся, сховавшись за склом, що не загорятимеш. За сторіччя, що минув з отримання скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно і твердим, і прозорим. Від вікон, впускає денне світло, і захищають від стихії, до приладів, що дозволяють заглядати далеко в космос, або спостерігати мікроскопічні світи.
Позбавте сучасну цивілізацію скла, і що від неї залишиться? Як не дивно, ми рідко замислюємося про те, наскільки воно важливе. Напевно, так відбувається тому що, будучи прозорим, скло залишається непомітним, і ми забуваємо про те, що воно є.
Ключові слова: структура скла, походження скла, Наука на порталі Експеримент, наукові статті