Hvad gør glas gennemsigtigt?

Det glasvindue gør, hvad det gør bedst - at holde det dårlige vejr ude, mens det stadig tillader lys at passere igennem. Comstock/Thinkstock

Har du nogensinde set et hus blive bygget? Tømrere rejser først strukturens grundskelet ved hjælp af to-fire-studs. Så negler de beklædning, normalt krydsfiner, til stenderne for at lave vægge. De fleste vægge har en vinduesåbning, som rummer et glasplade inden for en ramme. Windows får et hjem til at føles lyst, varme og imødekommende, fordi de lader lyset komme ind. Men hvorfor skulle et glasvindue være mere gennemsigtigt end træet, der omgiver det? Trods alt, begge materialer er solide, og begge holder regn ude, sne og vind. Alligevel er træ uigennemsigtigt og blokerer lyset fuldstændigt, mens glas er gennemsigtigt og lader solskin strømme uhindret igennem.

Du har måske hørt nogle mennesker - endda nogle videnskabelige lærebøger - forsøge at forklare dette ved at sige, at træ er et sandt fast stof, og at glas er en meget tyktflydende væske. De fortsætter derefter med at argumentere for, at atomerne i glas spredes længere fra hinanden, og at disse huller lader lyset presse igennem. De kan endda pege på vinduerne i århundredgamle huse, som ofte ser bølget og ujævnt tyk ud, som bevis på, at vinduerne har "strømmet" gennem årene som den langsomme gennemsøgning af melasse på en kold dag.

I virkeligheden, glas er slet ikke en væske. Det er en særlig form for solidt kendt som en amorft fast stof . Dette er en tilstand, hvor atomerne og molekylerne er låst på plads, men i stedet for at danne pænt, ordnede krystaller, de arrangerer sig tilfældigt. Som resultat, briller er mekanisk stive som faste stoffer, alligevel har det uordnede arrangement af molekyler som væsker. Amorfe faste stoffer dannes, når et fast stof smeltes ved høje temperaturer og derefter afkøles hurtigt - en proces kendt som slukker .

På mange måder, glas er ligesom keramik og har alle deres egenskaber:holdbarhed, styrke og skørhed, høj elektrisk og termisk modstand, og mangel på kemisk reaktivitet. Oxidglas, ligesom det kommercielle glas, du finder i glasplader, beholdere og pærer, har en anden vigtig egenskab:Det er gennemsigtigt for en række bølgelængder kendt som synligt lys. For at forstå hvorfor, vi må se nærmere på glassets atomstruktur og forstå, hvad der sker, når fotoner - de mindste lyspartikler - interagerer med denne struktur.

Det gør vi næste gang.

Elektron til foton:Du ophidser mig ikke

Først, husk at elektroner omgiver atomets kerne, optager forskellige energiniveauer. For at flytte fra et lavere til et højere energiniveau, en elektron skal få energi. Modsat, at bevæge sig fra et højere til et lavere energiniveau, en elektron må opgive energi. I begge tilfælde, elektronen kan kun få eller frigive energi i diskrete bundter.

Lad os nu overveje en foton, der bevæger sig mod og interagerer med et fast stof. En af tre ting kan ske:

Stoffet absorberer foton . Dette sker, når foton opgiver sin energi til en elektron, der er placeret i materialet. Bevæbnet med denne ekstra energi, elektronen er i stand til at bevæge sig til et højere energiniveau, mens foton forsvinder.
Stoffet afspejler foton . At gøre dette, foton opgiver sin energi til materialet, men en foton med identisk energi udsendes.
Stoffet lader fotonet passere uændret igennem . Kendt som transmission, dette sker, fordi fotonet ikke interagerer med nogen elektron og fortsætter sin rejse, indtil den interagerer med et andet objekt.

Glas, selvfølgelig, falder ind under denne sidste kategori. Fotoner passerer gennem materialet, fordi de ikke har tilstrækkelig energi til at ophidse et glaselektron til et højere energiniveau. Fysikere taler nogle gange om dette mht bandteori , der siger energiniveauer eksisterer sammen i regioner kendt som energibånd . Mellem disse bånd er regioner, kendt som båndgab , hvor energiniveauer for elektroner slet ikke eksisterer. Nogle materialer har større båndgab end andre. Glas er et af disse materialer, hvilket betyder, at dets elektroner kræver meget mere energi, før de kan springe fra et energibånd til et andet og tilbage igen. Fotoner af synligt lys - lys med bølgelængder på 400 til 700 nanometer, svarende til farverne violet, indigo, blå, grøn, gul, orange og rød - simpelthen ikke har nok energi til at forårsage dette spring. Følgelig, fotoner af synligt lys bevæger sig gennem glas i stedet for at blive absorberet eller reflekteret, gør glas gennemsigtigt.

Ved bølgelængder mindre end synligt lys, fotoner begynder at have nok energi til at flytte glaselektroner fra et energibånd til et andet. For eksempel, ultraviolet lys, som har en bølgelængde fra 10 til 400 nanometer, kan ikke passere gennem de fleste oxidglas, f.eks. glasset i en vinduesrude. Dette skaber et vindue, herunder vinduet i vores hypotetiske hus under opførelse, lige så uigennemsigtig for ultraviolet lys som træ er for synligt lys.

Fortsæt med at læse for flere links, der vil belyse din verden.

Oprindeligt udgivet:19. juni, 2000

Ofte stillede spørgsmål om gennemsigtigt glas

Hvorfor er glas gennemsigtigt for synligt lys, men uigennemsigtigt for ultraviolet og infrarødt?

Dette er på grund af energien UV og infrarødt lyshold og deres bølgelængder. Når synligt lys transmitterer gennem glas, bølger har ikke nok energi til at ophidse elektronerne indeni, så de passerer lige igennem den krystalliserede struktur, hvilket skaber gennemsigtighed.

Hvorfor er glas gennemsigtigt, mens noget typisk metal er uigennemsigtigt?

Dette koncept er også kendt som diaphaneity eller pellucidity. Mens lysbølger ikke har energi til at ophidse og reflektere fra glasets elektroner, det samme kan ikke siges om andre metaller. Lys berører elektroner, ophidser dem og hopper tilbage, som giver os mulighed for at se metallet.

Er glas altid gennemsigtigt?

Ikke alt glas er gennemsigtigt - nogle gange er det gennemskinneligt eller lyser eller kan forvrænge billedet i den anden ende. Dette skyldes, at da glaslag bliver ved med at stable, lyset hopper rundt i lagene, elektron til elektron, hvilket betyder, at i sidste ende, glas forbliver ikke gennemsigtigt længere.

Hvordan bliver sand til klart glas?

Når sandet er superopvarmet, siliciumdioxidpartiklerne smelter også ved 3090 ° F. Det smeltede siliciumdioxid filtrerer alle urenheder væk. Selvom sand har urenheder, der gør det synligt, rent siliciumdioxid danner en robust krystal, der er klart glas.

Hvorfor er glas gennemsigtigt og skørt?

Hvis glas ikke varmebehandles, det er gennemsigtigt, da der ikke er urenheder eller korngrænser i glasset. Manglen på disse grænser betyder, at der ikke er nogen specifik grænse for bindingen mellem forbindelser, effektivt gør glasset skørt.

Masser mere information

relaterede artikler

Hvorfor er snehvid?
Hvordan fungerer "skudsikkert" glas?
Hvordan usynlighedskapper fungerer
Mine briller har en antireflekterende belægning. Hvordan fungerer det?
Hvordan Transparent Aluminium Armor fungerer

Flere store links

Glas
Tres symboler:Hvorfor er glas gennemsigtigt?
Corning Museum of Glass

Kilder

"amorft fast stof." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica, 2011. Web. (2. maj kl. 2011) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/21328/amorphous-solid
Askeland, Donald R. og Pradeep Prabhakar Phulé. Teknologi og materialer. Thomson. 2006. Chandler, David L. "Forklaret:Bandgap." MIT Nyheder. 23. juli kl. 2010. (2. maj, kl. 2011) http://web.mit.edu/newsoffice/2010/explained-bandgap-0723.html
"glas." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Online. Encyclopædia Britannica, 2011. Web. (2. maj kl. 2011) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/234888/glass
Kunzig, Robert. "Glasets fysik." Opdag magasinet. Oktober 1999. (2. maj, kl. 2011) http://discovermagazine.com/1999/oct/physics/?searchterm=glass

Sidste artikelHvad er dynamit, og hvordan fungerer det?

Næste artikelTo dåser og en snor