Как физически объяснить оптическую прозрачность материала?⁠⁠

Наверное самый распространённый ответ на вопрос о том, почему тот или иной материал прозрачный, сводится к фразе: "Хм, ну просто у него такая структура. Атомы и молекулы расположились определенным образом".

И тут читатель представляет себе что-то не совсем стандартное. Кто-то визуализирует летящие шарики-фотоны, которые свободно пролетают через строение структуры, а кому-то видятся какие-то бесконечные отражения волны внутри тела. Давайте вместе заглянем в физический механизм прозрачности и выясним, уместны ли такие модели.

Тут нужно применить довольно сложную и занудную физику, поэтому постараемся всё сильно упростить. И да, структура материала тут тоже будет сказываться. То, что мы обозначили выше, работает. Вот только это не есть конечный ответ на поставленный вопрос и объяснение точно не полное. Процесс интереснее и сложнее. Поэтому, расширяем.

Представьте себе классический атом, как из школьного учебника. Тут даже не нужно сейчас вдаваться в дебри, которые мы обычно разбираем на канале. Достаточно просто вспомнить, что у атома есть ядро и что вокруг ядра на некотором расстоянии расположены электроны. Расстояние до электрона сопоставимо с его энергетическим уровнем. Чем дальше электрон от ядра, тем меньше у него энергия связи.

Когда атомы объединяются и образуют некоторые упорядоченные структуры, электроны во внешних слоях атомов должны смещаться, чтобы разместить другие атомы, расположенные рядом с ними. Электроны при этом должны подчиняться принципу запрета Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние.

Если вы попытаетесь столкнуть два атома, их электроны упорядочиваются по энергии, чтобы не оказаться в одинаковом состоянии.

Случается, что один энергетический уровень разделяется на два и электроны не вынуждены занимать одно и то же квантовое состояние, а спокойно располагаются на собственном месте.

Если повторить этот процесс с огромным количеством атомов, то вместо двух разных дополнительных уровней вы получите уже огромное количество таких компенсационных уровней.

Тут для нас даже важна позиция, когда электрон окажется где-то между

Теперь ещё интереснее. Если дать электрону нужное количество энергии, он сможет перескакивать между разрешенными уровнями или опускаться на уровни, чтобы испускать при этом энергию. Это базовое явление по сути описывает всю оптику.

Электроны могут поглощать энергию только в том случае, если это переведет их в допустимое энергетическое состояние. Ну а энергию можно передать электрону посредством взаимодействия с фотоном.

Поскольку электроны могут поглощать энергию только в том случае, если она позволяет им перейти на допустимый энергетический уровень. Если вы пропустите через него фотон, у которого достаточно энергии, чтобы отправить электрон только на половину расстояния до запрещенной зоны (читай как позиции между уровнями - по факту запрещенная зона есть такое количество энергии, которого не может физически быть у электрона)... то что произойдет?

Знаете, самое забавное, что ничего. Фотон не может быть поглощен, потому что если бы электрон его поглотил, он бы перешел в запрещенное состояние. Электрон е сможет получить нужное количество энергии, отвечающее стандартному уровню. А без уровней энергии стандартного диапазона электронов не бывает.

Поскольку электроны могут существовать только внутри уровней, любые фотоны с энергией, не соответствующей допустимому скачку между полосами, просто проходят сквозь материал: они не могут быть поглощены.

Понимаете, да, к чему всё идёт? Прозрачность обеспечивает большое количество фотонов, которые не смогли передать энергию электронам, поскольку те не займут тот или иной энергетический уровень.

Когда видимый фотон проходит через структуру прозрачного материала, ни один электрон не может его поглотить, поскольку в противном случае они окажутся в середине запрещенной зоны.

Поэтому видимый свет проходит сквозь прозрачные материалы, например через стекло. Однако другие длины волн света могут поглощаться. Например, в случае стекла, высокоэнергетический УФ-излучение сможет возбуждать электроны в запрещенной зоне и будет поглощено. Стекло для него не прозрачное.

⚡ Друзья, приглашаю подписаться на мой Телеграм-канал, где я собираю коллекцию хороших познавательных схем и анимашек физических процессов! Полезно полистать перед сном вместо котиков. И отдых, и познание.