Дискуссия Новая   152

Тред №607795

25 авг 2013 в 00:49   Шляхтич Зoсуля
Ветка: А как же оно тикает?
Задала сегодня младшая дочь простейший вопрос и я сел в лужу.
-Почему стекло прозрачное?.
Ответа основанного хоть на какой то теории  покопавшись в памяти и инете не нашел.
Перефразируя дочкин вопрос-" По какой причине некоторые твердые вещества пропускают электромагнитное излучение видимого спектра , а другие нет".
Понимаю что стекло и стеклоподобные вещества аморфны, но есть также много аморфных веществ видимый свет не пропускающих. Также есть кристаллические вещества прозрачные как...как стекло..
Вообще, что с точки зрения науки является фактором определяющим прозрачность в видимом диапазоне и каков механизм прозрачности.

Заранее спасибо.

  • +0.00 / 0
  • АУ


Предыдущая дискуссия:

<< Тред №607793
 
Следующая дискуссия:

Тред №607796 >>

ОТВЕТЫ (10)
 
 
  stranger1234 ( Слушатель )
25 авг 2013 в 01:18


Вы же знатный адепт зеленой энергетики -походу должнызнать принцип работы полупровониковой солнечной панели.....С поглащением видимого света в кристаллах все тоже самое - сильно поглащается или рассеивается -непрозрачно . Не сильно прозрачно....Хотя имхо кристаллы прозрачные таки наверное исключение из правила

Только врядли вы это дочери объясните имхо

  • +0.00 / 0
  • АУ
 
  rommel.lst ( Слушатель )
25 авг 2013 в 04:10

Если имеется в виду классически обычно-привычное кварцевое стекло, то потому что оксид кремния не имеет разрешенных электронных переходов, энергия которых попадает в диапазон энергий квантов видимого света.

Наличествующие в стекле примеси могут модулировать его поглощение, неоднородности могут снижать прозрачность за счет рассеяния.
Но, однородный кусок (после плавки) более-менее чистого оксида кремния, с гладкими поверхностями будет пропускать видимый свет..

  • +0.00 / 0
 
 
  Шляхтич Зoсуля ( Слушатель )
25 авг 2013 в 12:56

Если я Вас правильно понял, то в любом оптически прозрачном материале фотоны с частотой видимого диапазона просто не реагируют с электронными оболочками материала свободно огибая атомные структуры? Так сказать протискиваясь без изменения в промежутки между атомами так как электроны материала не могут поглотить кванты видимого спектра . Почему не могут? Что им мешает? Ведь хоть и нет в корунде разрешенного дипольного перехода, но имеется запрещенный октупольный. И кванты поглощаются .. и выделяются. Хотя корунд прозрачный.
Если не трудно, чуть подробнее.  
Извините за тупость, чет под старость тяжеловато доходит. Не бейте сильно.

  • +0.00 / 0
 
 
 
  Senya ( Слушатель )
25 авг 2013 в 13:09

Реагируют, возможно не по одному разу, но поглотив электромагнитный квант с энергией из "окна прозрачности" электрон приобретает запрещенные энергию и импульс, поэтому сбрасывает их, излучая новый квант, но с той же самой энергией и в том же самом направлении. И так много-много раз на пути от одного края до другого. На эти взаимодействия естественно затрачивается время, поэтому скорость света в веществе меньше скорости света в вакууме.

  • +0.00 / 0
 
 
 
 
  Шляхтич Зoсуля ( Слушатель )
25 авг 2013 в 13:38

Еще запутанее.. Получается что тот свет который мы видим через оконное стекло это совсем не тот свет что вошел в стекло?
Что такое "запрещенная энергия"? и чем она отличается от обычной? Почему излучается квант в том же самом направлении? а не куда угодно? Почему в непрозрачных веществах поглощение и выделение квантов идет по другому сценарию? В чем механизм отличия?

  • +0.00 / 0
 
 
 
 
 
  Senya ( Слушатель )
25 авг 2013 в 14:51

Да, не тот.
ЦитатаЧто такое "запрещенная энергия"? и чем она отличается от обычной?

У каждого атома есть электронные "орбитали", разрешенная энергия с которой электрон может находится рядом с ядром. У причин, почему это происходит, нет аналогов в макромире. Ближайшая иллюстрация, предложенная вроде еще самим Бором, радиус орбиты (соответственно энергия взаимодействия с ядром) должен быть таким, чтобы длина волны электрона укладывалась по орбите целое число раз. Во всех остальных случаях электрон за счет волнового взаимодействия должен был бы в конце концов "погасить сам себя" и исчезнуть, что запрещено кучей законов сохранения.
Когда за счет взаимодействия электронов внешних орбиталей объединяются два атома, вместо одного разрешенного значения энергии получается два - внешняя орбиталь расщепляется на две, связывающую и антисвязывающую. Обе они разрешены, но пока у внешних электронов минимальная энергия (соответствующая связывающей орбитали), атомы объединены друг с другом. Если электрон получит достаточно энергии, чтобы перейти на антисвязывающую (за счет нагрева или поглощения кванта света) наша молекула мгновенно развалится. Энергетический "зазор" между орбиталями и есть та энергия, которую необходимо затратить на разрушение молекулы.
Но если в единый кусок вещества объединяется мириады атомов (число Авогадро 6.02*1023 - 12 грамм углерода), связывающая и антисвязывающая орбитали не могут оставаться одинаковыми для всех. Электроны - фермионы, с полуцелым спином, то есть в одном квантовом состоянии может находиться только одна частица (кроме энергии имеет еще такую характеристику, как спин - соответственно две). Каждая из орбиталей дробится на бесчисленное (на самом деле счетное - число электронов внешней оболочки, деленное на два, но нам это не сильно поможет) число подуровней. Разница в энергии между ними очень мала, поэтому электроны свободно переходят с одного на другой, естественно соблюдая правило - не более двух на каждом единомоментно. После расщепления одного энергетического уровня на множество, мы начинаем называет его энергетической зоной, практически непрерывным диапазоном разрешенных энергий. Из связывающей орбитали получается валентная зона. Электроны с энергией, попадающей в этот диапазон, взаимодействуют с атомами в узлах решетки и обеспечивают ее целостность. Из антисвязывающей - соответственно зона проводимости. Электроны, получившие такую энергию, могут свободно перемещаться внутри куска материала и переносить электрический ток.
А дальше характеристики вещества зависят от того, насколько далеко были изначально разнесены связывающая и антисвязывающая орбитали, и насколько они расползлись при расщеплении на подуровни. Возможны три варианта:
1). Орбитали были близко и расползлись настолько сильно, что валентная зона и зона проводимости соприкоснулись (или даже пересеклись) между собой. Просто за счет теплового движения электроны легко отрываются от атомов и свободно движутся внутри материала, обеспечивая хорошую проводимость. Перед нами кусок металла.
2). Между валентной зоной и зоной проводимости остался энергетический зазор (называемый "запрещенной зоной"), сравнимый (с точностью до десятичного порядка) с энергией температурных колебаний. Свободные электроны есть, но их немного относительно числа атомов. Играя с температурой и примесями в веществе, можно получать очень интересные и полезные эффекты. Перед нами полупроводник.
3). Запрещенная зона настолько широка, что у электрона за счет тепловых колебаний практически нет шансов освободиться. При данной температуре это вещество является диэлектриком.
Теперь к оптическим свойствам. У металлов нет запрещенной зоны, поэтому они взаимодействуют с квантами практически любой энергии (и в видимом свете имеют характерный "металлический блеск").
Полупроводники (такие как кремний или германий) имеют запрещенную зону шириной примерно с энергию кванта видимого света, в районе 1 электронвольта. При первом же взаимодействии с квантом света электрон перебрасывается из валентной зоны в зону проводимости, или проще отрывается от атома и начинает свободно гулять в материале. Поверхность имеет характерный металлический блеск. Но у инфракрасного кванта энергии недостаточно, "зависнув" в запрещенной зоне на ничтожно (но разрешенное принципом неопределенности) время электрон сбрасывает квант и "падает" назад. В этом диапазоне кремний прозрачен как стекло. Если в обычный прожектор с обычной лампой накаливания вместо стекла поставить кремниевую пластину, мы получим инфракрасный прожектор.
Если же ширина запрещенной зоны больше энергии кванта, процесс отрыва электрона внутри вещества становится невозможным, нет процесса на который квант света мог бы потратить свою энергию. Вещество прозрачно.
ЦитатаПочему излучается квант в том же самом направлении? а не куда угодно?

Направления внутри кристалла неравноправны (даже аморфные вещества имеют ближний порядок). Разные атомы на разных расстояниях, разные энергии. Закон сохранения импульса - испустив квант в другом направлении электрон должен изменить направление собственного движения, но в данной точке кристалла электрон с той же энергией, но движущийся в другом направлении, существовать не может. Можно сказать, что вероятность процесса равна нулю, потому и не наблюдается никогда. Можно сказать, что электрон испускает кванты во всех возможных направлениях, но в результате интерференции мы можем наблюдать один единственный, энергия и направление которого совпадают с изначальным. Это квантЫ (наука такая...). Понятия типа "зона Бриллюэна" или "прямозонные и непрямозонные полупроводники" раскрывают вопрос шире, но на них еще столько же текста нужно.
Неравноправность энергии от структуры мы можем наблюдать на примере графита и алмаза. Одна решетка - запрещенная зона очень узкая, получаем "почти металл" с хорошей проводимостью. Другая решетка - широкая запрещенная зона, прозрачный диэлектрик.
Цитата Почему в непрозрачных веществах поглощение и выделение квантов идет по другому сценарию? В чем механизм отличия?

Для однородных вроде разобрали, ну а в неоднородных смесях вмешиваются еще огромное количество отражений и преломлений на гранях микрокристаллов.

  • +0.12 / 6
    • 6
 
 
 
 
 
 
  Luddit ( Слушатель )
25 авг 2013 в 19:46


Означает ли это, что прозрачного проводника быть не может?

  • +0.00 / 0
 
 
 
 
 
 
 
  Senya ( Слушатель )
25 авг 2013 в 20:14

Вот с такой простой структурой, как описано, и толстый слой - нет. Снижение интенсивности в e раз на длину волны вроде. А при толщинах несколько микрон и слой золота полупрозрачный, его как верхний контакт к солнечным батареям используют.

  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  rommel.lst ( Слушатель )
25 авг 2013 в 20:29


Тут нужно уточнить, что такое "прозрачного", и что такое "проводника".

Сеня описывая, что такое металл, сказал, что для отрыва электрона от атома нужно мало энергии, гораздо меньше, чем несет квант видимого света. Это с одной стороны обуславливает проводимость (носители заряда очень подвижны), а с другой непрозрачность. Так вот, в разных проводниках все же энергия отрыва разная, для металлов она очень мала, а для некоторых других неплохо проводящих сред, например, In2O3 (в простонародье ITO-АйТиО) видимый свет неспособен запросто освободить электрон. Для этого энергия кванта недостаточна. А, вот, в ближнем ультрафиолете пленка ITO уже непрозрачна.

Т.е. этот материал и проводимый и прозрачный для видимого света. Просто он не металл, а полупроводник. Хотя и имеющий неплохую проводимость при нормальных условиях. Именно из такого материала делаются прозрачные электроды для LCD-дисплеев и многих других современных поделок..

  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
 
 
  stranger1234 ( Слушатель )
25 авг 2013 в 18:02
А что такое тот или не тот поясните?
Цитата
Что такое "запрещенная энергия"?

в дискретном или дискретно-полосатом спектре энергия между дискретными уровнями...Система не может находиться при данной энергии
Цитата

и чем она отличается от обычной? Почему излучается квант в том же самом направлении? а не куда угодно?

селяви -таковы амплитуды квантовой механики
Цитата
Почему в непрозрачных веществах поглощение и выделение квантов идет по другому сценарию? В чем механизм отличия?


При поглащении и рассеянии все тоже самое, только амплитуды другие....влюбой среде в конце- концов излучение поглатиться

  • +0.00 / 0
  • АУ