Det glasfönstret gör det som det gör bäst - att hålla det dåliga vädret ute och samtidigt låta ljus passera igenom. Comstock/Thinkstock Har du någonsin sett ett hus byggas? Snickare reste först byggnadens grundskelett med hjälp av två-fyra-dubbar. Sedan spikar de manteln, vanligtvis plywood, till reglarna för att göra väggar. De flesta väggar inkluderar en fönsteröppning, som rymmer ett glasskiva som ligger inom en ram. Windows får ett hem att kännas ljust, varma och välkomnande eftersom de släpper in ljus. Men varför ska ett glasfönster vara mer transparent än träet som omger det? Trots allt, båda materialen är fasta, och båda håller regnet ute, snö och vind. Trä är dock ogenomskinligt och blockerar ljuset helt, medan glas är genomskinligt och låter solsken strömma igenom utan hinder.
Du kanske har hört vissa människor - till och med några vetenskapliga läroböcker - försöka förklara detta genom att säga att trä är ett riktigt fast ämne och att glas är en mycket viskös vätska. De fortsätter sedan med att argumentera att atomerna i glas sprids längre isär och att dessa luckor låter ljuset pressa igenom. De kan till och med peka på fönstren i hundraåriga hus, som ofta ser vågiga och ojämnt tjock ut, som bevis på att fönstren har "flutit" genom åren som den långsamma krypningen av melass på en kall dag.
I verkligheten, glas är inte alls en vätska. Det är en speciell typ av solid som kallas en amorft fast ämne . Detta är ett materiellt tillstånd där atomer och molekyler är låsta på plats, men istället för att bilda snyggt, ordnade kristaller, de ordnar sig slumpmässigt. Som ett resultat, glasögon är mekaniskt styva som fasta ämnen, ändå har det oroliga arrangemanget av molekyler som vätskor. Amorfa fasta ämnen bildas när en fast substans smälts vid höga temperaturer och sedan kyls snabbt - en process som kallas släckning .
På många sätt, glasögon är som keramik och har alla sina egenskaper:hållbarhet, styrka och sprödhet, hög elektrisk och termisk resistans, och brist på kemisk reaktivitet. Oxidglas, som det kommersiella glaset du hittar i glas- och plattglas, behållare och glödlampor, har en annan viktig egenskap:Den är transparent för en rad våglängder som kallas synligt ljus. För att förstå varför, vi måste titta närmare på glasets atomstruktur och förstå vad som händer när fotoner - de minsta ljuspartiklarna - interagerar med den strukturen.
Vi ska göra det nästa.
Först, minns att elektroner omger atomkärnan, upptar olika energinivåer. För att gå från en lägre till en högre energinivå, en elektron måste få energi. Motsatt, att gå från en högre till en lägre energinivå, en elektron måste ge upp energi. I vilket fall, elektronen kan bara få eller frigöra energi i diskreta buntar.
Låt oss nu överväga en foton som rör sig mot och interagerar med en fast substans. En av tre saker kan hända:
Glas, självklart, faller i denna sista kategori. Fotoner passerar genom materialet eftersom de inte har tillräckligt med energi för att excitera en glaselektron till en högre energinivå. Fysiker pratar ibland om detta i termer av bandteori , som säger att energinivåer existerar tillsammans i regioner som kallas energiband . Mellan dessa band finns regioner, känd som bandgap , där energinivåer för elektroner inte alls existerar. Vissa material har större bandgap än andra. Glas är ett av dessa material, vilket betyder att dess elektroner kräver mycket mer energi innan de kan hoppa över från ett energiband till ett annat och tillbaka igen. Fotoner av synligt ljus - ljus med våglängder på 400 till 700 nanometer, motsvarande färgerna violett, indigo, blå, grön, gul, orange och rött - har helt enkelt inte tillräckligt med energi för att orsaka detta hoppning. Följaktligen, fotoner av synligt ljus färdas genom glas istället för att absorberas eller reflekteras, gör glas transparent.
Vid våglängder som är mindre än synligt ljus, fotoner börjar ha tillräckligt med energi för att flytta glaselektroner från ett energiband till ett annat. Till exempel, ultraviolett ljus, som har en våglängd från 10 till 400 nanometer, kan inte passera genom de flesta oxidglasögonen, t.ex. glaset i en fönsterruta. Detta gör ett fönster, inklusive fönstret i vårt hypotetiska hus under uppbyggnad, lika ogenomskinlig för ultraviolett ljus som trä är för synligt ljus.
Fortsätt läsa för fler länkar som kommer att belysa din värld.
Ursprungligen publicerat:19 juni 2000
