Почему предметы бывают прозрачными? (отвечает Шахгильдян Георгий Юрьевич)

Отвечает кандидат химических наук, ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ имени Д.И. Менделеева, участник конкурса «Первая кафедра» Шахгильдян Георгий Юрьевич

—

Мы привыкли к тому, что через окно можно посмотреть на улицу или во двор, а вот через стены и двери мы видеть не можем. Если они, конечно, не прозрачные. А что вообще значит «прозрачные»? Вопрос кажется наивным: материал прозрачный, если он способен пропускать через себя свет. Все мы с легкостью назовем прозрачные материалы – стекла, кристаллы, пластики. И еще проще назвать непрозрачные – все остальное. Вроде бы все просто: если мы видим через материал, то он прозрачный, если не видим, то непрозрачный.

Но давайте будем более точными в определениях. Что такое «свет»? Свет солнца, лампы или экрана телефона – все это часть электромагнитного излучения (ЭМИ). ЭМИ представляет собой распространяющееся изменение состояние электромагнитного поля, которое характеризуют различными показателями: длиной волны, частотой, энергией фотонов (квантов ЭМИ). В соответствии с этими показателями все ЭМИ условно делят на диапазоны: от «жесткого» гамма и рентгеновского излучения к ультрафиолету (УФ), видимому, инфракрасному (ИК) и до радиоволн.

Практически со всеми видами ЭМИ мы сталкиваемся каждый день: в кабинете рентгенолога — с рентгеновским, греясь на Солнце— с ультрафиолетовым, рядом с обогревателем – с инфракрасным, говоря по телефону или слушая радио – с радиоволнами. И, конечно же, мы непрерывно ощущаем видимое излучение — область ЭМИ, на прием которого «настроены» наши глаза. Вне зависимости от названия диапазонов разные виды излучения являются волнами и одновременно потоками квазичастиц — фотонов, которые непрерывно бомбардируют все и вся вокруг нас.

Итак, мы определились, что свет может быть разный. Отсюда логично сделать вывод, что и «прозрачность» тоже может разной в зависимости от того, о каком свете идет речь.

Теперь давайте по-новому посмотрим на привычные нам прозрачные материалы, например, на стекло. Для видимого диапазона ЭМИ стекло прозрачно, свет проходит через стекло, и мы отлично все видим сквозь этот материал. Однако для других диапазонов ЭМИ стекло перестает быть «прозрачным» материалом. Задумайтесь, можете ли вы загореть, сидя в солнечный день возле закрытого окна, сделанного из обычного стекла? Нет, и причина в том, что обычное (натриевокальцийсиликатное) стекло не пропускает излучение УФ диапазона.

А если кто-то будет следить за вами в тепловизор (как в фильме «Хищник»), то вы сможете легко скрыться от наблюдателя, просто укрывшись за стеклом. Опять же потому, что стекло «непрозрачно» для большей части излучения ИК диапазона, в котором излучает тепло человеческого тела и на которое настроены детекторы тепловизоров. Так одно и тоже стекло может быть и прозрачным, и непрозрачным в зависимости от того, какое излучение через него проходит. Этот вывод распространяется и на другие известные нам «прозрачные» материалы: ведь то, что мы видим глазами, — лишь малая часть ЭМИ.

Теперь мы можем ответить на вопрос, который вынесли в начало текста — «Почему предметы бывают прозрачными?». Если отвечать кратко и поверхностно, то потому, что эти предметы не поглощают ЭМИ. Причину «прозрачности» мы рассмотрим на заведомо упрощенных частных примерах.

Все твердые тела можно условно классифицировать в зависимости от их электронного строения на три типа: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Эта классификация находится в рамках зонной теории, которая вводит понятия энергетических зон: валентной зоны, запрещенной зоны и зоны проводимости. Стекла являются типичными диэлектриками. «Ширина» их запрещённой зоны (выраженная в энергии в электронвольтах) велика, и электроны из валентной зоны при обычных условиях никак не могут попасть в зону проводимости (кстати именно поэтому стекло не проводит электрический ток).

Однако, когда мы облучаем наше стекло светом (то есть ЭМИ), падающие фотоны начинают взаимодействовать с электронами валентной зоны стекла. В упрощенном случае такое взаимодействие может быть выражено в том, что электрон поглотит энергию фотона, возбудится и перейдет в зону проводимости, после чего релаксирует («спустится») обратно в валентную зону. Однако для такого поглощения фотона электроном необходимо, чтобы фотон обладал энергией большей, чем ширина запрещенной зоны. В противном случае подобного поглощения не произойдет. Это наглядно демонстрируется при сравнении «прозрачности» стекла для видимого и УФ излучения.

Энергия фотонов видимого излучения меньше, чем ширина запрещенной зоны стекол (или других прозрачных материалов). Поэтому они не поглощаются электронами материала, и видимый свет проходит через стекло, делая его прозрачным. В то же время энергия фотонов УФ излучения больше, чем ширина запрещенной зоны. Происходит поглощение энергии фотонов и возбуждение электронов, и стекло становится непрозрачным для УФ излучения.

Необходимо отметить, что есть стекла, прозрачные в ультрафиолете (до определенного предела), например, кварцевые стекла, состоящие из чистого SiO2. Их структура такова, что ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов УФ излучения.

Кварцевое стекло

В то же время есть много прозрачных, но окрашенных стекол – это результат химической технологии стекла. В состав стекол вводят ионы или наночастицы, которые взаимодействуют с фотонами видимого света с определенной энергией. В результате происходит поглощение света на определенной длине волны, что выражается в видимой нами окраске стекла. Также есть стекла, прозрачные только в УФ диапазоне и непрозрачные в видимом диапазоне ЭМИ. В их состав введены красители, которые поглощают все фотоны видимого света. При этом ширина запрещенной зоны такого стекла достаточна для прохождения фотонов УФ диапазона (стекла марки УФС).

Более того, прозрачными могут быть не только привычные нам диэлектрики, но и материалы, которые на первый взгляд совсем непрозрачны в видимом диапазоне. Пример тому – оптическая керамика, которая, как и обычная керамика, представляет собой спеченные частицы кристаллической фазы. Любая керамика является типичным диэлектриком и удовлетворяет требованиям ширины запрещенной зоны: она достаточно велика, чтобы фотоны видимого света не поглощались электронами. Однако непрозрачность обычной керамики связана с тем, что размер спеченных частиц очень велик, и свет рассеивается на границах этих частиц. В оптической керамике для спекания используются нанопорошки. В результате материал состоит из спеченных нанокристаллов с размерами, во много раз меньшими длины волны видимого света, что позволяет ему проходить через материал, делая его прозрачным.

Записаться на лекцию https://arhe-events.timepad.ru/event/950748/