Почему стекло прозрачное на пальцах™⁠⁠

В статье я пробую рассказать, почему некоторые вещества прозрачны для видимого света, а другие нет. Полностью эта тема — весьма сложна и уходит в самые дебри физических процессов, затрагивая оптику, химию, квантовую механику и еще множество смежных дисциплин и включает в себя вырвиглазные формулы и зубодробильный матаппарат. Я сознательно буду делать весьма широкие допущения, опуская 9/10х того, что происходит в веществе на самом деле.

Моя цель — рассказать так, чтобы стало понятно школьнику, который даже еще не начал изучать физику, т.е. буквально пятикласснику.

Итак, как известно, все тела состоят из молекул, а молекулы — из атомов. Атомы устроены не сложно (в нашем, простецком описании на пальцах™). В центре каждого атома находится ядро, состоящее из протона, или группы протонов и нейтронов, а вокруг, по кругу вращаются электроны на своих электронных орбитах/орбиталях.

Свет тоже устроен довольно просто. Забудем (кто помнил) про корпускулярно–волновой дуализм и уравнения Максвелла, пусть свет будет потоком шариков–фотонов, летящий из фонарика прямо к нам в глаз.

Теперь, если мы поставим между фонариком и глазом бетонную стенку — мы больше не увидим света. А если посветим на эту стенку фонариком с нашей стороны — наоборот увидим, ибо луч света отразится от бетона, и попадет к нам в глаз. Но сквозь бетон свет не пойдет.

Логично предположить, что шарики–фотоны отражаются и не проходят сквозь бетонную стену потому, что бьются об атомы вещества, т.е. бетона. Точнее бьются об электроны, ибо электроны вращаются так быстро, что фотон не проникает сквозь электронную орбиталь к ядру, а отскакивает и отражается уже от электрона.

Почему же свет проходит сквозь стеклянную стену? Ведь внутри стекла тоже молекулы и атомы, и если взять достаточно толстое стекло, любой фотон рано или поздно должен столкнуться с каким–нибудь из них, ведь атомов же триллионы в каждой крупинке стекла!

Все дело в том, как происходят столкновения электронов с фотонами. Возьмем самый простой случай, один электрон вращается вокруг одного протона (это атом водорода) и представим себе, что по этому электрону шарахнуло фотоном.

Вся энергия фотона перешла электрону. Говорят, что фотон поглотился электроном и исчез. А электрон получил дополнительную энергию (которую нес с собой фотон) и от этой дополнительной энергии он подскочил на более высокую орбиту и стал летать дальше от ядра.

Поглощение фотона электроном и переход последнего на более высокую орбиту

Чаще всего более высокие орбиты менее устойчивы, и через какое–то время, электрон испустит этот фотон, т.е. "отпустит его на свободу", а сам вернется на свою низкую устойчивую орбиту. Испущенный фотон полетит в совершенно случайную сторону, потом будет поглощен другим, соседним атомом, и так и останется блуждать в веществе, покуда случайно не излучится назад обратно, или не пойдет в конечном итоге на нагрев бетонной стены.

А теперь самое интересное. Электронные орбиты не могут находиться где угодно вокруг ядра атома. У каждого атома каждого химического элемента есть четко детерминированный и конечный набор уровней или орбит. Электрон не может чуть–чуть подняться выше или немного опуститься пониже. Он может перескочить лишь на вполне четкий промежуток вверх или вниз, а так как эти уровни различаются энергиями, это означает, что только фотон с определенной и весьма точно заданной энергией может подтолкнуть электрон на более высокую орбиту.

Получается, что если у нас летят три фотона с разными энергиями, и только у одного она точно равна разнице энергий между уровнями какого–то конкретного атома, лишь этот фотон "столкнется" с атомом, остальные пролетят мимо, в буквальном смысле "сквозь атом", ибо не смогут сообщить электрону четко заданную порцию энергии для перехода на другой уровень.

А как мы можем найти фотоны с разными энергиями?

Вроде бы, чем больше скорость, тем выше энергия, это знает каждый, но ведь все фотоны летят с одной и той же скоростью — скоростью света!

Может быть чем ярче и мощнее источник света (например если взять армейский прожектор, вместо фонарика), тем больше энергии будет у фотонов? Нет. В мощном и ярком луче прожектора просто большее количество самих штук фотонов, но энергия у каждого отдельного фотона точно такая же, как и у тех, что вылетают из дохлого карманного фонарика.

И вот тут нам придется все–таки вспомнить, что свет это не только поток шариков–частиц, но еще и волна. Разные фотоны отличаются разной длиной волны, т.е. разной частотой собственных колебаний. И чем выше частота колебаний, тем более мощный заряд энергии несет фотон.

Низкочастотные фотоны (инфракрасного света или радиоволны) несут мало энергии, высокочастотные (ультрафиолетовый свет или рентгеновское излучение) — много. Видимый свет — где–то посредине.

Вот тут и кроется разгадка прозрачности стекла!

Все атомы в стекле имеют электроны на таких орбитах, что для перехода на более высокую им необходим толчок энергии, которой не достаточно у фотонов видимого света. Поэтому он проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами.

А вот ультрафиолетовые фотоны — вполне себе несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбиту на орбиту, поэтому в ультрафиолетовом свете обычное оконное стекло — совершенно черное и непрозрачное.

Причем, что интересно. Слишком много энергии — тоже плохо. Энергия фотона должна быть в точности равна энергии перехода между орбитами, от чего любое вещество прозрачно для одних длин (и частот) электромагнитных волн, и не прозрачно для других, потому что все вещества состоят из разных атомов и их конфигураций, т.е. молекул.

Например бетон прозрачен для радиоволн, и инфракрасного излучения, непрозрачен для видимого света и ультрафиолета, не прозрачен так же для рентгена, но снова прозрачен (в какой–то мере) для гамма-излучения.

Именно по этому правильно говорить, что стекло прозрачно для видимого света. И для радиоволн. И для гамма-излучения. Но непрозрачно для ультрафиолета. И почти не прозрачно для инфракрасного света.

А если еще вспомнить, что видимый свет тоже не весь белый, а состоит из разных длин (т.е. цветов) волн от красного до темно–синего, станет примерно понятно, почему предметы имеют разные цвета и оттенки, почему розы красные, а фиалки — голубые. Но, это уже тема для другого поста, объясняющего сложные физические явления простым языком аналогий на пальцах™.