Чому скло прозоре як ми можемо знайти фотони з різними енергіями

Як відомо, всі тіла складаються з молекул, а молекули - з атомів. Атоми влаштовані теж не складно (в нашому, простацькому описі на пальцях). У центрі кожного атома знаходиться ядро, що складається з протона, або групи протонів і нейтронів, а навколо, по колу обертаються електрони на своїх електронних орбітах / орбиталях.

Світло теж влаштований просто. Забудемо (хто пам'ятав) про корпускулярно-хвильовий дуалізм і рівняння Максвелла, нехай світло буде потоком кульок-фотонів, що летить з ліхтарика прямо до нас в око.

Тепер, якщо ми поставимо між ліхтариком і оком бетонну стінку - ми більше не побачимо світла. А якщо посвітити на цю стінку ліхтариком з нашого боку - навпаки побачимо, бо промінь світла відіб'ється від бетону, і потрапить до нас в око. Але крізь бетон світло не піде.

Логічно припустити, що кульки-фотони відбиваються і не проходять крізь бетонну стіну тому, що б'ються об атоми речовини, тобто бетону. Точніше б'ються об електрони, бо електрони обертаються так швидко, що фотон не проникає крізь електронну орбіталь до ядра, а відскакує і відбивається вже від електрона.

Чому ж світло проходить крізь скляну стіну? Адже всередині скла теж молекули й атоми, і якщо взяти досить товсте скло, будь-фотон рано чи пізно повинен зіткнутися з яким-небудь з них, адже атомів ж трильйони в кожній крупинці скла! Вся справа в тому, як відбуваються зіткнення електронів з фотонами. Візьмемо найпростіший випадок, один електрон обертається навколо одного протона (це атом водню) і уявімо собі, що з цього електрону торохнуло фотоном.

Вся енергія фотона перейшла електрону. Кажуть, що фотон поглотился електроном і зник. А електрон отримав додаткову енергію (яку ніс із собою фотон) і від цієї додаткової енергії він підскочив на більш високу орбіту і став літати далі від ядра.

Найчастіше більш високі орбіти менш стійкі, і через якийсь час, електрон випустить цей фотон, тобто «Відпустить його на свободу», а сам повернеться на свою низьку стійку орбіту. Іспущенний фотон полетить в абсолютно випадкову сторону, потім буде поглинений іншим, сусіднім атомом, і так і залишиться блукати в речовині, поки випадково не випромінюючи тому назад, або не піде в кінцевому підсумку на нагрів бетонної стіни.

А тепер найцікавіше. Електронні орбіти не можуть перебувати де завгодно навколо ядра атома. У кожного атома кожного хімічного елемента є чітко детермінований і кінцевий набір рівнів або орбіт. Електрон не може трохи піднятися вище або трохи опуститися нижче. Він може перескочити лише на цілком чіткий проміжок вгору або вниз, а так як ці рівні різняться енергіями, це означає, що тільки фотон з певною і досить точно заданої енергією може підштовхнути електрон на більш високу орбіту.

Виходить, що якщо у нас летять три фотона з різними енергіями, і тільки у одного вона точно дорівнює різниці енергій між рівнями якогось конкретного атома, лише цей фотон «зіткнеться» з атомом, інші пролетять мимо, в буквальному сенсі «крізь атом» , бо не зможуть надати електрону чітко задану порцію енергії для переходу на інший рівень.

А як ми можемо знайти фотони з різними енергіями?

Начебто, чим більше швидкість, тим вище енергія, це знає кожен, але ж все фотони летять з однієї і тієї ж швидкістю - швидкістю світла!

Може бути чим яскравіше і потужніше джерело світла (наприклад якщо взяти армійський прожектор, замість ліхтарика), тим більше енергії буде у фотонів? Ні. У потужному і яскравому світлі прожектора просто більшу кількість самих штук фотонів, але енергія у кожного окремого фотона точно така ж, як і у тих, що вилітають з дохлого кишенькового ліхтарика.

І ось тут нам доведеться все-таки згадати, що світло це не тільки потік кульок-частинок, але ще і хвиля. Різні фотони відрізняються різною довжиною хвилі, тобто різною частотою власних коливань. І чим вище частота коливань, тим потужніший заряд енергії несе фотон.

Низькочастотні фотони (інфрачервоного світла або радіохвилі) несуть мало енергії, високочастотні (ультрафіолетове світло або рентгенівське випромінювання) - багато. Видиме світло - десь посередині. Ось тут і криється розгадка прозорості скла! Всі атоми в склі мають електрони на таких орбітах, що для переходу на більш високу їм необхідний поштовх енергії, якої мало у фотонів видимого світла. Тому він проходить крізь скло, практично не стикаючись з його атомами.

А ось ультрафіолетові фотони - цілком собі несуть енергію, необхідну для переходу електронів з орбіту на орбіту, тому в ультрафіолетовому світлі звичайне віконне скло - абсолютно чорне і непрозоре.

Причому, що цікаво. Занадто багато енергії - теж погано. Енергія фотона повинна бути в точності дорівнює енергії переходу між орбітами, від чого будь-яка речовина прозоро для одних довжин (і частот) електромагнітних хвиль, і не прозоро для інших, тому що всі речовини складаються з різних атомів і їх конфігурацій.

Наприклад, бетон прозорий для радіохвиль, і інфрачервоного випромінювання, непрозорий для видимого світла і ультрафіолету, не прозорий так само для рентгена, але знову прозорий (в якійсь мірі) для гамма-випромінювання.

Саме тому правильно говорити, що скло прозоро для видимого світла. І для радіохвиль. І для гамма-випромінювання. Але непрозоро для ультрафіолету. І майже не прозоро для інфрачервоного світла.

А якщо ще згадати, що видиме світло теж не весь білий, а складається з різних довжин (тобто кольорів) хвиль від червоного до темно-синього, стане приблизно зрозуміло, чому предмети мають різні кольори і відтінки, чому троянди червоні, а фіалки - блакитні.

Чому гази прозорі, а тверді тіла немає?

Температура грає вирішальну роль в тому, чи буде дана речовина твердим, рідким або газоподібним. При нормальному тиску на поверхні землі при температурі 0 градусів Цельсія і нижче вода - тверде тіло. При температурах між 0 і 100 градусами Цельсія вода - рідина. При температурі вище 100 градусів Цельсія вода - газ. Пара з каструлі поширюється по кухні рівномірно на всі боки. На підставі вищесказаного припустимо, що крізь гази можна бачити, а крізь тверді тіла це неможливо. Але деякі тверді речовини, наприклад такі, як скло, настільки ж прозорі, як повітря. Як це виходить? Більшість твердих речовин поглинає падаюче на них світло. Частина поглиненої світлової енергії йде на нагрівання тіла. Велика частина падаючого світла відбивається. Тому ми бачимо тверде тіло, але не можемо бачити крізь нього.

Речовина виглядає прозорим, коли кванти світла (фотони) проходять крізь нього, чи не поглинаючись. Але фотони мають різну енергію, а кожне хімічна сполука поглинає лише ті фотони, які володіють відповідною йому енергією. На видиме світло - від червоного до фіолетового - доводиться дуже невеликий діапазон енергій фотонів. І якраз цим діапазоном «не цікавиться» діоксид кремнію, основний компонент скла. Тому фотони видимого світла майже безперешкодно проходять крізь скло.

Питання не в тому, чому скло прозоре, а в тому, чому не прозорі інші об'єкти. Вся справа в енергетичних рівнях, на яких знаходяться електрони в атомі. Можна уявити їх у вигляді різних рядів на стадіоні. У електрона є певне місце на одному з рядів. Однак, якщо у нього достатньо енергії, він може перестрибнути на інший ряд. У ряді випадків поглинання одного з проходять через атом фотонів якраз і забезпечить необхідну енергію. Але тут заковика. Щоб перекинути електрон з ряду на ряд, фотон повинен мати строго певною кількістю енергії, інакше він пролетить повз. Так і відбувається зі склом. Ряди так далеко один від одного, що енергії фотона видимого світла просто недостатньо для переміщення електронів між ними.

А у фотонів ультрафіолетового спектра енергії вистачає, тому вони поглинаються, і тут вже, як не старайся, сховавшись за склом, що не загорятимеш. За сторіччя, що минув з отримання скла, люди сповна оцінили його унікальну властивість бути одночасно і твердим, і прозорим. Від вікон, впускає денне світло, і захищають від стихії, до приладів, що дозволяють заглядати далеко в космос, або спостерігати мікроскопічні світи.

Позбавте сучасну цивілізацію скла, і що від неї залишиться? Як не дивно, ми рідко замислюємося про те, наскільки воно важливе. Напевно, так відбувається тому що, будучи прозорим, скло залишається непомітним, і ми забуваємо про те, що воно є.

Посилання на джерела