Почему стекло прозрачное?

Однажды я задал этот вопрос своему учителю, и он ответил: «Потому что пропускает свет». — А почему он пропускает свет? Я спросил, и он сказал: «Потому что он прозрачный».

Опять тот же вопрос, почему стекло прозрачное? Почему через него проходит свет, а для непрозрачных объектов - нет?

Ответы (6)

Фотоны проходят через стекло, потому что не поглощаются. И они не поглощаются, потому что в стекле нет ничего, что «поглощало бы» свет в зрительных частотах. Возможно, вы слышали, что ультрафиолетовые фотоны поглощаются стеклом, поэтому стекло для них непрозрачно. Точно так же происходит и с рентгеновскими лучами, для которых наше тело почти прозрачно, а металлическая пластина их поглощает. Это экспериментальное свидетельство.

Любой фотон имеет определенную частоту, которая для видимого света связана с цветом света, в то время как для более низких или высоких частот в электромагнитном спектре это просто мера энергии, переносимой фотоном. Спектр поглощения материала (какие частоты поглощаются и в какой степени) зависит от структуры материала в атомном масштабе. Поглощение может происходить от атомов, которые поглощают фотоны (помните, что электроны переходят в более высокие энергетические состояния, поглощая фотоны), от молекул или от решеток. Существуют важные различия в этих возможностях поглощения:

  1. Атомы поглощают четко определенные дискретные частоты. Обычно отдельные атомы поглощают только несколько частот — это зависит от энергетического спектра его электронов. Что касается атомного поглощения, то график поглощения (построенный как функция частоты света) содержит четко выраженные пики для частот, когда происходит поглощение, а между ними вообще нет поглощения.
  2. Молекулы поглощают дискретные частоты, но линий поглощения намного больше, потому что даже простая молекула имеет намного больше энергетических уровней, чем любой атом. Таким образом, молекулы поглощают гораздо больше света.
  3. Кристаллические решетки могут поглощать не только дискретные частоты, но и непрерывные полосы частот, в основном из-за несоответствий в кристаллической структуре.

Поскольку стекло представляет собой некристаллическую переохлажденную жидкость, состоящую из молекул, его поглощение происходит 1-м и 2-м способами, но из-за вещества, из которого оно состоит, оно поглощает за пределами нашего видимого спектра.

Стекло действительно поглощает фотоны - они поглощаются межатомными связями (фононами) и переизлучаются, поэтому скорость света в стекле медленнее. Он кажется прозрачным, потому что направление света сохраняется упорядоченными связями и потому что теряется небольшая часть энергии.
Спасибо, первый абзац был легче понять и разрешил достаточно путаницы. Ведут ли себя другие типы фотонов как видимый свет (т.е. свет сходится с линзой)
@Martin: правильно, за исключением того, что это называется рассеянием, а не поглощением.
@ LifeH2O - картина, которую я описываю, намного упрощена. Когда вы пытаетесь анализировать взаимодействие света и материи, необходимо учитывать множество процессов. Но, судя по форме вопроса, я предполагаю, что вам нужен ответ базового уровня. Реальное взаимодействие является квантовым в области поглощения-излучения, но может быть волновым на определенных частотах - например, интерференция должна быть проанализирована и т.д. Это довольно сложно, когда Вы хотите учесть все явления, которые могут произойти.
@kakaz Почему в случае стекла не исключено полосовое поглощение? Несмотря на то, что стекла некристаллические, они тоже имеют полосы.
@SRS, потому что в случае видимого света полосовое поглощение является событием второго или, может быть, даже четвертого порядка. Но вы правы: для определенной частоты я ожидаю в основном ультрафиолетового света, но это явно зависит от химического состава стекла и физической молекулярной структуры, полоса поглощения может быть больше, а затем иногда важна.
@kakaz что ты имеешь ввиду под нечем поглощать фотоны ?

В основном из-за поглощения. Когда фотон влетает в материал, он взаимодействует с его составляющими. Это взаимодействие можно разделить на два вклада. Один из них упругий и является источником показателя преломления (поскольку фактически он просто замедляет фотон), а другой неупругий. Фотон поглощается (скажем) атомом, а затем испускается в виде теплового излучения в случайном направлении, тем самым теряя первоначальную информацию, которую он нес.

Когда вы смотрите на это макроскопически, этот процесс будет описываться некоторым параметром, таким как глубина проникновения, и интенсивность по отношению к глубине будет затухать экспоненциально. Таким образом, если вы сделаете непрозрачные объекты достаточно тонкими, они все равно будут прозрачными (хотя исходящий свет будет слабее в зависимости от толщины). Конечно, это обсуждение полностью избегает поверхностных эффектов (отражение, преломление, рассеяние и т. д.).

Обратите внимание, что все это зависит от частоты падающего света. Атомы (давайте просто поговорим о них для простоты; на самом деле будет вклад и от молекул, решетки, свободных электронов и еще чего-то) имеют то, что называется спектром поглощения. Это происходит потому, что при определенных частотах электрон может поймать фотон и перейти в более высокое энергетическое состояние. Таким образом, в то время как материал может быть прозрачным в определенном диапазоне частот (как стекло для видимого света), он может быть совершенно непрозрачным в других.

Все это прекрасно, но в стекле есть что-то особенное в том, что (видимое) излучение, поглощаемое его атомами (или волокнами...), излучается когерентно в одном и том же направлении. Вот почему стекло не только прозрачно, но и сохраняет изображения, например. Почему это так?
Я не совсем понимаю, что вы имеете ввиду. Изображение сохраняется в каждом прозрачном материале, если только он не обладает какой-либо дополнительной симметрией (например, кристаллы могут иметь разные свойства распространения и поляризации вдоль разных осей -> анизотропия). Но для неупорядоченных материалов такой вещи нет. Стекло ничем не отличается, например, от воздуха или воды: фотоны просто рассеиваются на отдельных составляющих, но единственный сохранившийся вклад в интеграл по путям — это прямолинейное распространение (хотя и медленнее, что приводит к большему показателю преломления).
@Deepak: интерференция между различными атомами, которыми фотон поглощается, а затем переизлучается, заставляет фотоны двигаться в одном направлении в стекле. Дело не в том, что отдельный атом поглощает фотон и повторно излучает его в том же направлении; вы можете видеть это, потому что только интерференция между различными атомами привела бы к закону преломления Снеллиуса. Я полагаю, что у Фейнмана есть прекрасное объяснение этого в его книге « КЭД», которую я настоятельно рекомендую как элементарное изложение квантовой механики.
@Peter, @Marek Я понимаю, что вмешательство приводит к этим эффектам. Мой вопрос был (есть), почему световые волны интерферируют конструктивно, а не деструктивно в случае стекла. У Фейнмана также есть очень хорошая глава (кажется, в первом томе его лекций) о «происхождении показателя преломления». Но модель, которую он использует, представляет собой решетку диполей. Я не понимаю, почему для такого вещества, как стекло — без очевидного основного порядка — такое описание должно работать. Надеюсь, я ясно выразился (э).
@Deepak: Я считаю, что вам нужно, чтобы каждое событие поглощения-переизлучения делало со светом примерно одно и то же (и не меняло фазу радикально).
@Deepak: на самом деле, эти вопросы намного проще в неупорядоченных материалах (жидкости, особым обитателем которых является стекло), чем в упорядоченных материалах (где фотоны могут взаимодействовать с решеткой) и, в частности, в полупроводниках (где существует сложное взаимодействие с зонной структурой). ). Итак, в заключение, если вы понимаете, почему эта штука работает, например, в идеальном газе, все готово. Если нет, задайте вопрос ;)

Это может быть немного технически, но я всегда думал, что это круто: один из моих профессоров однажды указал, что прозрачность возникает только потому, что материал (приблизительно) представляет собой линейную диалектику в интересующем вас частотном диапазоне. Оказывается, вода является линейным диэлектриком именно в том диапазоне частот, который может обнаружить наш глаз. стечение обстоятельств?

Интересный комментарий. Не лучший ответ, но интересный. Вы предполагаете, что это вызвано эволюцией?
@mick это может быть одним из факторов эволюции, но есть и другие. Видимый диапазон также находится на пике солнечной радиации (что явно не зависит от поглощения света водой, но могло также повлиять на эволюцию).

Вокруг этого ходит много чуши. Это НЕ очень густая, жесткая или холодная жидкость, и это не связано с тем, насколько упорядочена структура. Проще говоря, все дело в электронах в веществе. Когда фотон света попадает в вещество, он взаимодействует с электроном, изменяя свое энергетическое состояние.

КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ — Электроны могут существовать только на фиксированных (ленточных) энергетических уровнях.

В обычном непрозрачном материале требуется небольшое количество энергии, чтобы перевести электрон из его состояния покоя в состояние с более высокой энергией, поэтому низкоэнергетический фотон видимого света поглощается, передавая свою энергию электрону, который, в свою очередь, переходит в состояние с более высокой энергией. несколько более высокое энергетическое состояние.

В гораздо более редком прозрачном материале расстояние между уровнем энергии покоя электронов и следующим более высоким состоянием намного больше. Так как электрон может только «отдыхать» или находиться на высоком энергетическом уровне НИКОГДА между ними, небольшой фотон видимого света не несет достаточно энергии, чтобы передать электрону, чтобы заставить его перейти в более высокое состояние. Так он сохраняет свою силу, не впитывается и проходит сквозь материал. Эй, вуаля, смотри насквозь.

Некоторые стекла пропускают только свет определенного цвета. Это связано с тем, что свет разного цвета имеет разные энергетические уровни, и поэтому в зависимости от энергии, необходимой для «перемещения» электронов в более высокое энергетическое состояние, некоторые цвета будут достаточно сильными и поглощаются, а другие — нет и будут проходить через них.

ПРИМЕЧАНИЕ. Я немного упрощаю, например, это не буквально «проходит сквозь» как таковое, способ взаимодействия электрона и фотона является квантово-механическим, и ни один из них не включает поляризацию, отражение и т. д., все из которых работает на квантовом уровне. уровень. Тем не менее, в макромасштабе, без квантовой детализации (на обучение которой потребуются годы), это то, что происходит.

Так почему же свет движется с другой скоростью в вакууме, если он не поглощается прозрачными материалами?

При распространении света в прозрачной среде не происходит процессов поглощения и переизлучения. Среда поглощает некоторую часть света, но переизлучения не происходит, или переизлучение настолько мало, что им можно пренебречь.

Поглощение не заставляет электроны переходить на более высокие энергетические уровни, а увеличивает их кинетическое беспорядочное движение, в том числе и беспорядочное колебание атома. Это приводит к повышению температуры стекла.

Некоторые флуоресцентные вещества поглощают видимый свет и переизлучают его. Когда это происходит, после выключения видимого света материя некоторое время излучает свой собственный свет. Это связано с переходом уровней энергии электрона.

Этот ответ немного цикличен и похож на ответ Берли. Прозрачные материалы имеют равномерную электромагнитную связь между своими молекулами. Думайте о стекле как об однородном массиве крошечных конденсаторов.

Почему стекло прозрачное?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v