Чому скло прозоре: пояснення фізики скла
- Ігор Сальниченко
- 25 бер.
- Читати 15 хв
Оновлено: 29 бер.
Скло оточує нас всюди – від вікон у будинках до лінз окулярів і екранів смартфонів. Ми звикли, що через цю тверду речовину можна легко бачити предмети по інший бік. Але чому скло є прозорим, тоді як більшість інших твердих матеріалів непрозорі? У цій статті простими словами, але з науковою точністю розглянемо фізичні причини прозорості скла. Для цього заглянемо на атомний рівень будови скла, дізнаємося про взаємодію світла з електронами в матеріалах, з’ясуємо роль зонної теорії та аморфної структури скла, порівняємо скло з непрозорими речовинами. Також зробимо короткий історичний огляд виробництва прозорого скла, розглянемо різновиди скла та їхню прозорість, і згадаємо найважливіші застосування прозорого скла в оптиці, будівництві й технологіях.
Атомна структура скла: аморфна будова без кристалічної решітки
Скло – це тверда аморфна речовина, тобто його атоми не утворюють впорядкованої кристалічної решітки. Основу більшості видів технічного скла становить діоксид кремнію SiO₂ (кварц) . У кристалічному кварці атоми кремнію і кисню впорядковані у регулярну структуру. Натомість у склі при виготовленні (швидкому охолодженні розплаву кварцового піску) кварц не встигає закристалізуватися – утворюється твердий аморфний стан речовини, де атоми розташовані хаотично . Іншими словами, скло можна уявити як «заморожену» рідину: за високої температури кристалічні зв’язки в кварці руйнуються, і при охолодженні атоми залишаються в безладному положенні, не стаючи назад кристалом . Така невпорядкована атомна структура заповнює всі проміжки і робить скло однорідним по всьому об’єму [1,4].
Однорідність скла на мікроскопічному рівні – ключ до його прозорості. На відміну від багатьох твердих матеріалів, скло не має кристалічних зерен, меж розділу чи пор, які могли б сильно розсіювати або відбивати світло. Наприклад, звичайний пісок (кварцеві зерна) непрозорий, бо грубі нерівні поверхні кристаликів відбивають і розсіюють світло в різні боки . Якщо ж кварцовий пісок розплавити і швидко застигнути у формі скла, виходить гладкий однорідний матеріал – крізь нього світлові промені вже не розсіюються на дефектах структури . Поверхня та внутрішня структура скла настільки рівномірні, що фотони світла проходять наскрізь майже прямолінійно.
Варто зауважити, що скло тверде, хоча й аморфне. Існує поширений міф, ніби скло – дуже в’язка рідина, яка повільно тече (посилаються на старовинні вікна, де низ трохи товстіший). Насправді при кімнатній температурі рух атомів у склі настільки незначний, що скло поводиться як звичайний твердий матеріал. Аморфна будова лише означає відсутність далекого порядку в розташуванні атомів і поступове розм’якшення при нагріванні (скло не має чіткої точки плавлення, а перетворюється в рідину поступово). Для прозорості ж важливо те, що аморфне скло не містить мікроструктур, здатних розсіювати видиме світло, на відміну від, скажімо, полікристалічної кераміки або деревини [1,4].
Чому скло прозоре: взаємодія електромагнітного випромінювання з електронами в склі
Прозорість будь-якого матеріалу визначається тим, як електромагнітні хвилі (світло) взаємодіють з його атомами та електронами. Атоми складаються з малого ядра і електронної оболонки навколо. Відомо, що більша частина об’єму атома – це порожній простір: якщо уявити атом розміром зі стадіон, то ядро буде як горошина в центрі, а електрони – як пилинки десь на трибунах . Тому світловий промінь може пройти крізь окремий атом, ні з чим не зіштовхнувшись . Однак у твердому тілі атомів дуже багато, і головне питання – чому ж у склі світло майже не затримується, а в інших матеріалах поглинається?
Світло – це потік частинок-фотонів, що мають певну енергію (у видимого світла енергія залежить від кольору: фіолетові фотони найбільш енергійні, червоні – менш енергійні). Коли фотон пролітає через речовину, він може поглинутися електроном, передавши тому свою енергію. Але електрони в атомах можуть перебувати лише на визначених енергетичних рівнях. Щоб електрон поглинув фотон, енергія цього фотона має точно відповідати різниці між поточним рівнем електрона і якимось вищим дозволеним рівнем. Якщо енергія не підходить – електрон її не поглинає, і фотон летить далі [1,4] .
У склі електрони зв’язані надто міцно, щоб поглинути фотони видимого світла. Іншими словами, у атомах скла немає доступних енергетичних переходів, які б відповідали енергіям видимого діапазону. Речовина діоксиду кремнію (основа скла) – це діелектрик, в якому електрони міцно утримуються в атомних зв’язках і не можуть вільно рухатися. Електрон може перейти на вищий рівень тільки отримавши досить велику порцію енергії. Фотони видимого світла занадто «слабкі» для цього: їхньої енергії не вистачає, щоб перевести електрон на наступний рівень, тому вони просто пролітають крізь матеріал. Саме це і спостерігається у склі: більшість фотонів видимого спектру проходять наскрізь, бо електрони в склі для них фактично «невидимі» [1,4].
Для порівняння, ультрафіолетові фотони мають більшу енергію. Скло вже не прозоре для жорсткого ультрафіолету: його фотони можуть збуджувати електрони, тому УФ-випромінювання значною мірою поглинається склом . Наприклад, через віконне скло неможливо засмагнути – воно затримує ультрафіолетові промені, захищаючи нас від них. З іншого боку, інфрачервоне випромінювання (теплове) має меншу енергію, і звичайне содове скло для нього теж непрозоре – але з іншої причини: на довжинах хвиль глибокого ІЧ світла починають поглинати не електрони, а коливальні рухи атомів (скло поглинає тепло). Таким чином, скло прозоре лише у визначеній частині спектру – в діапазоні видимого світла (приблизно 400–700 нм). Ця унікальна властивість скла – пропускати видиме світло, залишаючись твердим бар’єром для повітря, води, більшості ультрафіолету тощо – зробила його незамінним матеріалом в різних сферах людської діяльності [1,4].
Зонна теорія: енергетичні рівні та заборонена зона у прозорому твердому тілі
Причину прозорості скла можна глибше пояснити через зонну теорію твердого тіла – квантовий опис енергетичних станів електронів у матеріалах. У твердому тілі атоми розташовані близько один до одного, і їхні електронні рівні об’єднуються в зони енергій. У ізоляторів (діелектриків) існує валентна зона, заповнена електронами, і розташована вище зона провідності, яка в ізолятора пустує. Між ними – широкий енергетичний розрив, який називають забороненою зоною (band gap). Електрон не може мати енергію в межах цього забороненого проміжку – щоб стати провідним, він мусить отримати енергію не меншу, ніж ширина зони.
У випадку звичайного силікатного скла ширина забороненої зони дуже велика – близько 8–9 еВ . Це відповідає квантам ультрафіолетового світла з довжиною хвилі приблизно 150–160 нм. Натомість фотони видимого світла мають енергію лише ~1,8–3,2 еВ (від червоного до фіолетового кольору) і не здатні подолати широкий енергетичний бар’єр між валентною зоною і зоною провідності скла . Таким чином, видиме світло не створює в склі електричних провідників (не вибиває електрони в зону провідності) і не поглинається – звідси й прозорість [2].
Для порівняння, у напівпровідників ширина забороненої зони менша. Наприклад, кремній (основа мікрочипів) має band gap ~1,1 еВ. Це значно нижче енергії фотонів видимого спектру, тому кремній поглинає та частково відбиває видиме світло і виглядає непрозорим сіруватим (блискучим) матеріалом. З іншого боку, алмаз (кристалічний вуглець) – так само ізолятор з широкою зоною (близько 5,5 еВ) – є прозорим, адже фотони видимого спектру не можуть збудити його електрони . Алмаз починає поглинати лише у глибокому ультрафіолеті, аналогічно кварцовому склу. Таким чином, прозорими є тверді тіла з широкою забороненою зоною, більшою за енергію квантів видимого світла .
Варто зауважити, що навіть у матеріалах з великою band gap можливе забарвлення через інші механізми поглинання. У реальному склі завжди є домішки, здатні вибірково поглинати світло. Наприклад, типове содово-вапняне скло містить сліди сполук заліза, через що насправді має слабкий зеленуватий відтінок . Домішки Fe²⁺ і Fe³⁺ поглинають частину синьо-фіолетових і червоних променів, надаючи склу легке зелене тонування . Щоб отримати абсолютно прозоре безколірне скло, виробники додають спеціальні речовини-знебарвлювачі, які нейтралізують кольорові домішки . Додаючи оксиди металів, навпаки, виготовляють кольорове скло: кобальт дає синє забарвлення, хром – зелене або жовте, селен – рожеве тощо. Такі іони створюють додаткові енергетичні рівні всередині забороненої зони, і скло починає вибірково поглинати певні довжини хвиль видимого світла. Кольорове скло все ще може бути прозорим (світло проходить, але спектр його змінений), тоді як фарби, пігменти або непрозорі матеріали поглинають більшу частину світла і поглинену енергію перетворюють на тепло.
Отже, кварцеве скло прозоре у видимому діапазоні завдяки тому, що фотони видимого світла не мають достатньо енергії для поглинання електронами. Матеріал просто не містить електронних переходів у цьому діапазоні енергій . Світло ніби «не помічає» атомів скла, бо для нього скло виглядає як майже порожній простір. Лише фотони, енергії яких перевищують великий енергетичний проміжок (у випадку скла – УФ-кванти), можуть поглинатися і вибивати електрони на вищі рівні . Саме цим скло принципово відрізняється від більшості інших твердих речовин.
Непрозорі матеріали: поглинання та розсіювання світла
Для контрасту розглянемо, чому багато інших матеріалів не є прозорими. Причини дві – поглинання світла або розсіювання його всередині. Часто діють обидва фактори одночасно.
• Метали. Металевий блиск і непрозорість металів зумовлені наявністю вільних електронів. У металах електрони не прив’язані до окремих атомів, а рухаються по всьому кристалу. Коли світло падає на метал, електромагнітне поле світлової хвилі змушує цих вільних електронів коливатися. В результаті майже миттєво світлова хвиля перетворюється на відбиту – електрони випромінюють нову хвилю назустріч падаючій. Тому метали добре відбивають світло (дзеркальний блиск) і не пропускають його крізь себе. Крім того, частина енергії світла в металах може переходити в тепло (кінетичну енергію електронів та іонів), тобто світло сильно поглинається тонким поверхневим шаром металу і не проходить далі. Таким чином, у металах світлові фотони витрачають свою енергію на збудження вільних електронів, і матеріал непрозорий.
• Напівпровідники і пігментовані тверді тіла. У речовин із відносно вузькою забороненою зоною або з наявністю особливих іонів та молекул світло поглинається, викликаючи електронні переходи. Так, кристали кремнію чи германію непрозорі, бо фотони видимого спектру легко збуджують електрони в них (навіть якщо частина світла відбивається, решта поглинається і нагріває матеріал). Органічкі барвники і пігменти (фарби) мають молекули зі складними електронними системами; їхні електрони поглинають світло певних довжин хвиль (кольорів). Тому, наприклад, листя зелене – пігмент хлорофіл поглинає червоне та синє світло, а відбиває зелене. У результаті більшість непрозорих предметів набувають свого кольору саме через селективне поглинання частини спектра. Але загалом непрозорі матеріали поглинають переважну частину падаючого світла, і дуже мало фотонів взагалі проходить крізь них.
• Розсіювання на неоднорідностях. Матеріал може не пропускати світло і без сильного поглинання – якщо всередині є безліч меж, дефектів або часточок, що багаторазово перенаправляють промені. Прозорість вимагає оптичної однорідності. Якщо речовина складається з дрібних кристаликів або містить бульбашки, пори, зерна іншого заломлюючого показника – світло розсіюється, багаторазово переломлюється і відбивається, втрачаючи напрям. Такий матеріал виглядає матовим або білим (сукупне розсіювання всієї видимої компоненти). Приклад – сніг і лід: прозорий лід, подрібнений на крихітні кристали, стає білим снігом через розсіювання на межах між кристаликами повітрям. Аналогічно, прозорий монокристал алюміна (сапфір) виглядає безбарвним, тоді як полікристалічна кераміка Al₂O₃ – непрозора біла, доки її не спечуть до надзвичайно щільного стану з мінімумом меж зерен. Керамічні матеріали зазвичай непрозорі саме через мікроскопічні межі зерен і пори, хоча хімічно можуть складатися з прозорих компонентів.
• Шорсткі поверхні. Навіть саме скло можна зробити непрозорим, якщо його поверхню зробити нерівною. Приклади – матове скло, піскоструменеве або травлене кислотою: шорстка поверхня розсіює світло і зображення не видно. Ці скла пропускають світло, але сильно розсіюють, тому правильніше назвати їх напівпрозорими, а не прозорими.
Цікавий експеримент: якщо на матове скло наклеїти прозорий скотч, його нерівності згладжуються, і скло знову стане прозорим – світло проходитиме майже без розсіювання.
Таким чином, щоб матеріал був прозорий, потрібно виконати дві умови: мінімальне поглинання і мінімальне розсіювання світла. Звичайне силікатне скло якраз відповідає обом умовам для видимого діапазону: воно хімічно чисте від центрів поглинання видимого світла і має однорідну аморфну структуру без меж і зерен. Саме тому через скляну шибку ми бачимо світ навколо себе у повному кольорі і деталях, ніби й нема ніякої перешкоди.
Заломлення світла у склі: показник заломлення та прозорість
Те, що скло прозоре, не означає, що світло не взаємодіє з ним взагалі. Проходячи крізь скляну пластину або призму, промені уповільнюються і відхиляються. Цей ефект називається заломленням світла. Скло має показник заломлення приблизно n≈1,5 для середини видимого спектра. Це означає, що світло у склі поширюється в ~1,5 раза повільніше, ніж у вакуумі чи повітрі. Чому так відбувається і чи пов’язано це з прозорістю?
Причина заломлення – електромагнітна взаємодія світлової хвилі з електронами скла, яка не забирає енергію у фотонів, але змінює їх напрям і швидкість. Коли світлова хвиля проникає в скло, електричне поле світла змушує зв’язані електрони в атомах коливатися з тією самою частотою поля . Кожен електрон починає випромінювати власну електромагнітну хвилю. Ці вторинні хвилі накладаються (інтерферують) з початковою хвилею світла. У результаті виходить одна хвиля тієї ж частоти, що рухається через скло далі, але трохи запізнюється відносно того, якби вона йшла в порожнечі . Ми спостерігаємо це як зниження фазової швидкості і заломлення променя на межі (згідно із законом Снеліуса). Важливо, що при цьому не відбувається поглинання: електрони потім перенаправляють всю поглинену енергію назад у світлову хвилю. Світло виходить зі скла з тією ж енергією, тільки з іншим напрямком [6].
Наслідком заломлення є цікаве явище дисперсії – залежності показника заломлення від довжини хвилі. У склі синє та фіолетове світло заломлюються сильніше, ніж червоне, оскільки для коротших хвиль показник n трохи більший. Це пов’язано з тим, що частоти, близькі до власних резонансних частот електронів (в УФ-діапазоні для скла), уповільнюються більше. Саме завдяки дисперсії звичайна трикутна призма розкладає біле світло на кольоровий спектр, як показано на рисунку нижче. Білий промінь при вході в скло сповільнюється і заломлюється; фіолетові компоненти відхиляються сильніше за червоні, тому кольори розділяються в райдугу. На виході з призми промені знову прискорюються до швидкості світла в повітрі .
Отже, показник заломлення характеризує вплив матеріалу на швидкість і напрям світла, але не визначає, поглинається світло чи ні. Скло може мати великий n і все одно бути прозорим. Наприклад, «кришталь» (свинцеве скло) має підвищений показник заломлення ~1,7 (саме тому він так красиво «грає» граннями), проте залишається таким же прозорим, як і звичайне скло – видиме світло не поглинається, а тільки сильніше сповільнюється. Натомість вода має n≈1,33 і теж прозора. Таким чином, прозорість не суперечить заломленню: скло одночасно прозоре і заломлює світло, що й забезпечує його цінність для оптики [6].
Різновиди скла та їх прозорість
Хоча принцип прозорості подібний, різні види скла можуть відрізнятися оптичними властивостями. Ось декілька прикладів скляних матеріалів:
• Содово-вапняне скло – найпоширеніший тип, з якого виготовляють вікна, пляшки, посуд. Складається з SiO₂ з додаванням соди (Na₂O) і вапна (CaO). Воно прозоре в усьому видимому діапазоні. Має ледь помітний зелений відтінок через домішки заліза , але часто містить добавки для знебарвлення. Звичайне віконне скло поглинає ультрафіолет з λ<~350 нм , тому захищає від більшості УФ-випромінювання. У видимому діапазоні його прозорість дуже висока – близько 90% проходження світла.
• Кварцове (силіційне) скло – фактично чистий аморфний SiO₂ без домішок. Таке скло можна отримати із плавленого кварцу. Воно відзначається надзвичайно високою прозорістю не лише в видимому, а й в ультрафіолетовому діапазоні. Кварцове скло пропускає глибокий УФ аж до ~160 нм , тому використовується для оптичних компонентів в УФ-лампах, лазерах, а також в аерокосмічних і наукових приладах. У видимому світлі його показник заломлення трохи менший (n≈1,46), ніж у содового скла, але прозорість практично 100% для чистого зразка.
• Боросилікатне скло (наприклад, торговельна назва Pyrex) – спеціальний вид скла з додаванням оксиду бору. Воно термостійке (менше розширюється при нагріванні) і хімічно стійке. Прозорість його у видимому діапазоні така ж, як у звичайного скла – практично повна. Використовується для хімічного посуду, кухонного жаротривкого посуду, лампочок тощо.
• Свинцеве кришталеве скло – містить значну частку оксиду свинцю (PbO). Завдяки цьому має високий показник заломлення і дисперсію, що дає ефект «гри кольорів» у виробах (вази, бокали, люстри). Прозорість кришталю для видимого світла залишається відмінною – свинець хоча і важкий елемент, але його іони не створюють смуг поглинання у видимому спектрі. Однак свинцеве скло більш щільне і сильніше поглинає рентгенівські промені, тому використовується як радіаційний захист (свинцеві «віконця» у рентгенівських кабінетах).
• Оптичне скло – особлива категорія високоякісних стекол зі строго контрольованим складом (крона, флінти та інші). Вони призначені для лінз, призм, оптики приладів. До них висувається вимога максимальної прозорості (мінімум домішок, бульбашок, включень) та заданих показників заломлення і дисперсії. Оптичні стекла можуть мати різний склад – додавання оксидів барію, лантану та інших елементів дозволяє змінювати n і аберації. Але всі вони повинні залишатися прозорими для видимого світла. Для перевірки оптичних стекол вимірюють коефіцієнт пропускання: у хорошого скла він понад 90–95% в тонких зразках.
• Загартоване скло – це не окремий хімічний склад, а термічно оброблене звичайне скло. Його нагрівають і швидко охолоджують, внаслідок чого в товщі виникають напруження. Таке скло міцніше механічно і безпечніше (при розбитті кришиться на дрібні шматочки). Прозорість загартованого скла практично не відрізняється від звичайного, оскільки склад той самий і обробка не створює видимих дефектів – хіба що можуть з’явитися внутрішні напружені шари, іноді помітні в поляризованому світлі.
• Ламіноване скло (триплекс) – теж скоріше конструкція, ніж тип скла: кілька шарів скла, склеєних полімерною плівкою. Використовується в автомобільних лобових шибах, в архітектурі. Властивості прозорості залежать від якості плівки і самого скла. Хороший триплекс пропускає світло не гірше звичайного скла (втрати 1-2%), але затримує ультрафіолет краще завдяки поглинаючій плівці. Знову ж, видиме світло проходить без спотворення кольорів [3].
Таким чином, різновиди скла залишаються прозорими для ока, якщо в них немає компонентів, що поглинають видиме світло. Усі описані типи – це все ще силікатні або інші оксидні стекла з великою забороненою зоною. Різниця між ними впливає на міцність, щільність, температуру плавлення, показник заломлення тощо, але не на здатність пропускати світло. Лише спеціальні добавки можуть зробити скло забарвленим або матовим (якщо, наприклад, утворюються мікрокристали всередині – так отримують опалесцентне «молочне» скло, яке розсіює світло і непрозоре). В цілому ж, скло залишається синонімом прозорості – недарма в українській мові є вислів «прозорий, як скло».
Історичний огляд: шлях до прозорого скла
Скло – один з найдавніших штучних матеріалів, винайдених людством. Природа сама іноді створює аналог скла: при виверженні вулканів магма може застигати у вигляді вулканічного скла (у). Обсидіан відомий ще з кам’яної доби – люди використовували його чорні блискучі уламки як ножі й наконечники. Однак природний обсидіан містить багато домішок і зазвичай непрозорий або темний.
Перші скляні вироби людство навчилося виготовляти близько 5–6 тисяч років тому на Близькому Сході. Археологи знаходять у Єгипті та Месопотамії скляні намистини й амулети, датовані ІІІ тис. до н.е. . Це були непрозорі або напівпрозорі кольорові шматочки скла, що використовувалися як прикраси. Стародавні майстри отримували їх випадково при випалюванні фаянсу або навмисно плавили піщані суміші в горнах. Однією з найдавніших знахідок є циліндрична печатка з прозорого скла віком ~4500 років, знайдена в Месопотамії – отже, вже тоді вміли виплавити скло настільки чисте, що воно пропускало світло.
Розвиток склоробства продовжився в Давньому Єгипті: близько 1500 р. до н.е. там з’являються перші скляні посудини – чаші, пляшечки . Скло тих часів було забарвлене (блакитне, зелене), бо виготовлялося зі звичайного піску з домішками, але технологія вдосконалювалась. Єгипетські і шумерські ремісники засвоїли прийоми очищення скла та додавання барвників. У перші століття н.е. Римська імперія стала центром масового виробництва скла . Саме римлянам приписують винахід видування скла із трубкою (близько I ст. до н.е. в Сирії) – технології, що здійснила переворот у скляній промисловості . Видування дозволило швидко формувати порожнисті вироби (пляшки, келихи) і навіть робити скляні пласкі диски для вікон. У Помпеях археологи знаходять залишки скляних віконець – ще мутнуватих і товстих, але то були прообрази сучасних шибок [5].
У Середньовіччі виробництво скла розвивалося в різних країнах. Особливо славилася Венеція (о. Мурано) своїми майстрами: у середні віки вони навчилися варити дуже чисте прозоре скло cristallo, додавати марганець як знебарвлювач (щоб прибрати зелений відтінок) і виготовляти великі тонкі листи для вікон багатих палаців. Проте по-справжньому великі прозорі вікна стали реальністю з розвитком промисловості.
Промислова революція у XIX ст. принесла нові способи виготовлення скла. У 1820–1840-х з’явилися технології витягування скляних листів із розплаву і прокатування валками. У 1850-х англійці започаткували машинне видування скляних циліндрів, які розрізали й розгортали в листи . У 1903 р. американець Еміль Фурко розробив процес вертикального витягування стрічки скла з ванни розплаву (процес Фурко) – він дозволив отримувати дешевше листове скло. Винаходи хімії дозволили поліпшити якість: наприклад, у кінці XIX ст. зрозуміли, як загартувати скло повторним нагрівом і різким охолодженням – таке скло стало необхідним для автомобільної промисловості [5].
Кульмінацією технічного розвитку стало впровадження флоат-процесу в 1950-х роках. У 1959 р. англієць Аластер Пілкінгтон запатентував метод безперервного отримання ідеально гладкого скляного листа, сплавляючи скло на ванні розплавленого олова . Флоат-скло зробило революцію: тепер можна було масово виробляти великі прозорі вікна без оптичних спотворень і дорогої ручної праці. Сьогодні понад 90% плоского скла виробляється цим методом. Сучасні заводи випускають гігантські скляні полотна, які потім ріжуть і загартовують для будівництва, автомобілів, побутової техніки.
Отже, історично людство прагнуло отримати якомога прозоріше скло, поступово вдосконалюючи технології очищення і формування. Від примітивних скляних бусин доби фараонів до ультрачистого оптичного скла сьогодення – розвиток скла йшов рука об руку з розвитком цивілізації. Прозоре скло стало одним із матеріалів, що характеризують сучасну епоху.
Застосування прозорого скла в оптиці, будівництві та технологіях
Уявити сучасний світ без скла неможливо. Завдяки своїй прозорості скло виконує незамінну роль у різних сферах:
• Будівництво і архітектура: Скло використовують насамперед для вікон, що пропускають денне світло в приміщення, одночасно ізолюючи від вітру, дощу і холоду. Великі скляні фасади й куполи роблять будівлі світлими і відкритими. Загартоване та ламіноване скло забезпечує безпеку в вітринах магазинів, вікнах автомобілів. Склопакети з декількох шарів скла зберігають тепло, не заважаючи огляду. Архітектурне скло може мати покриття, що відбивають інфрачервоне випромінювання (енергозбереження) або затримують ультрафіолет. Але в видимому спектрі такі покриття все одно прозорі.
• Оптика і наука: Лінзи і призми з якісного оптичного скла є серцем численних приладів. Мікроскопи, телескопи, біноклі – всі вони будуються на системах скляних лінз, які заломлюють світло, формуючи збільшені зображення далеких зірок чи дрібних клітин. Фотооб’єктиви камер містять десятки елементів зі скла спеціальних марок для корекції аберацій. Окуляри для корекції зору виготовляються із прозорого скла (тепер часто з прозорих полімерів, але за тим же принципом). Прозорість тут критично важлива – лінза має лише фокусувати, не поглинаючи світло і не спотворюючи кольори. У лазерній техніці використовують кварцове скло, прозоре для потрібних довжин хвиль, з нього ж роблять оптичні кювети для лабораторних спектрометрів.
• Сучасні технології та електроніка: Екрани смартфонів, планшетів, телевізорів покриті тонким міцним склом (наприклад, спеціальним хімічно зміцненим склом, відомим під торговою маркою Gorilla Glass). Воно захищає дисплей і одночасно прозоре, щоб зображення було чітко видно. Сонячні батареї покривають листом загартованого прозорого скла, яке захищає кремнієві фотоелементи і пропускає максимум сонячного світла до них. Оптоволоконний зв’язок – ще один технологічний дар скла: тонкі нитки з надчистого кварцового скла передають світлові сигнали на кілометри з мінімальним ослабленням. Волоконна оптика лежить в основі Інтернету, швидкісного зв’язку, медичних ендоскопів. Тут вимоги до прозорості екстремальні – поглинання має бути менше 0,2 дБ/км на певній довжині хвилі, що досягається лише для ультрачистого кварцового скла.
• Побут і мистецтво: Наш побут немислимий без скляного посуду – прозорі склянки, пляшки, банки дозволяють бачити вміст і не взаємодіють з напоями чи ліками. Світильники, лампочки традиційно робляться зі скла, бо воно витримує нагрів і пропускає світло від лампи. Художнє скло – вітражі, скульптури, різьблений кришталь – грає зі світлом, пропускаючи його і переломлюючи у візерунки кольорів. Навіть в культурі скло символізує щось чисте і проникне: порівняння “прозорий як скло” означає повну ясність і зрозумілість.
Прозоре скло стало настільки звичним, що ми його майже не помічаємо – воно слугує невидимою перегородкою, яка одночасно відокремлює і пов’язує нас із зовнішнім світом . Коли дивимось у вікно, ми рідко задумуємось, що між нами і пейзажем є твердий матеріал, створений руками людини. А між тим, від відкриття секрету скла до сучасних надтонких екранів пройшли тисячі років розвитку науки і технологій. Скло об’єднало в собі властивості твердого тіла і рідини, впорядкованість і хаотичність – і саме в цій унікальній комбінації криється його прозорість.
Сподіваємось, ця стаття допомогла зрозуміти, чому скло прозоре, на наочному й доступному рівні. Наступного разу, дивлячись крізь скляні двері чи читаючи книгу при світлі лампи, згадайте про ті цікаві фізичні явища на атомному рівні, які роблять можливим наше прозоре вікно у світ.
Список використаних джерел:
1. Цікава наука. Чому скло прозоре [Електронний ресурс] // Futuro – 2018. – 01 березня. – URL: https://futuro.in.ua/videos/625-chomu-sklo-prozore.html
2. Thomas G.P. Why Is Glass Transparent? Understanding Transparent Materials and Their Uses [Electronic resource] // AZoM – 2013. – May 6. – URL: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=8141
3. Лосик М. В., Звір О. М. Технологічні та фізико-хімічні властивості скла : навч. посіб. [Електронний ресурс]. – Львів: ЛНАМ, 2018. – 40 с. – URL: https://lnam.edu.ua/files/Academy/faculty/dpm/glass/pdf/Alumni/Технологічні-та-фізико-хімічні-властивості-скла.pdf
4. Скло [Електронний ресурс] // Вікіпедія. – URL: https://uk.wikipedia.org/wiki/Скло.
5. Історія скла [Електронний ресурс] // Все про скло / Компанія «Бусел». – 2007. – URL: https://www.busel.ua/ua/steklo/10-5-2007-2_12_1.html
6. Показник заломлення [Електронний ресурс] // Вікіпедія. – URL: https://uk.wikipedia.org/wiki/Показник_заломлення
7. Prism-rainbow.svg (Dispersion diagram) [Електронний ресурс] // Wikimedia Commons. – URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Prism-rainbow.svg
Comentarios