چه چیزی باعث می شود که شیشه شفاف باشد؟

چرا شیشه شفاف است؟ آیا تاکنون خانه ای در حال ساخت را تماشا کرده اید؟ ابتدا اسکلت اصلی و سازه های آن بنا می شود. سپس نوبت به دیوارها می رسد. اکثر دیوارها شامل یک دهانه برای پنجره هستند که یک صفحه شیشه ای را درون خود جای می دهد. پنجره ها باعث می شود که یک خانه روشن و گرم باشد، چرا که آنها اجازه می دهند نور آفتاب به داخل خانه بتابد.

اما چرا یک پنجره شیشه ای باید شفاف باشد و فلز اطراف آن نه؟ هر دو جامد هستند و هر دو از ورود باد، برف و باران جلوگیری می کنند. اما فلز مات است و نور را به طور کامل مسدود می کند، در حالی که شیشه شفاف است و اجازه می دهد که نور آفتاب به راحتی وارد خانه شود.

شاید قبلاً در این مورد از کسی شنیده باشید یا حتی در کتابچه های علمی خوانده باشید که فلز کاملاً جامد است، اما شیشه یک مایع بسیار چسبناک است. آنها همچنین می گویند که اتم ها در شیشه با فاصله بیشتری از هم قرار گرفته اند و این مسئله باعث می شود که نور از آن عبور کند. آنها به پنجره های خانه های قدیمی که به نظر می رسد دچار ناهمواری شده اند، اشاره می کنند و می گویند، به دلیل همین فاصله بین اتم ها، این شیشه ها تغییر شکل داده اند.

در واقعیت، شیشه به هیچ وجه مایع نیست. شیشه نوع خاصی از مواد جامد است که تحت عنوان مواد جامد غير متبلور (بی شکل) شناخته می شود. در چنین مواد جامدی، اتم ها و مولکول ها در جای خود قفل می شوند، اما به جای تشکیل کریستال های مرتب و منظم، شکل تصادفی به خود می گیرند. در نتیجه، شیشه ها نیز مانند مواد جامد دیگر، از نظر مکانیکی سفت و سخت هستند، اما در ساختار خود، مانند مایعات دارای بی نظمی مولکولی هستند. مواد جامد غير متبلور، هنگامی تشکیل می شوند که یک ماده جامد در دماهای بالا ذوب شده و به سرعت خنک شود. فرایندی که تحت عنوان “آبديده شدن” شناخته می شود.

از بسیاری جهات، شیشه مانند سرامیک است و تمام خصوصیات آن را دارد: دوام، استحکام و شکنندگی، مقاومت الکتریکی و حرارتی بالا و عدم واکنش شیمیایی. شیشه اکسید، مانند شیشه ای که در بشقاب، لیوان، ظروف و لامپ های شیشه ای مشاهده می کنید، یک ویژگی مهم دیگر نیز دارد: این نوع شیشه در طیف وسیعی از نورها، شفاف می ماند. برای درک دلیل آن، باید نگاهی دقیق تر به ساختار اتمی شیشه بیندازیم و بفهمیم چه اتفاقی می افتد، هنگامی که فوتون ها (کوچکترین ذرات نور) با آن ساختار در تعامل هستند.

از الکترون تا فوتون

ابتدا به یاد بیاورید که الکترونها، هسته اتم را محاصره می کنند و سطح های متفاوتی از انرژی را اشغال می کنند. برای حرکت از سطح انرژی پایین به سطحی بالاتر، الکترون باید انرژی به دست آورد. برعکس، برای اینکه از سطح بالاتر انرژی به سطح پایین تر برسد، باید انرژی را از دست بدهد. در هر دو حالت، الکترون فقط زمانی می تواند انرژی به دست آورد یا از دست بدهد که به شکل بسته های گسسته از هم باشد.

حال بیایید یک فوتون را در نظر بگیریم که به سمت یک ماده جامد در حال حرکت و در تعامل است. یکی از این سه مورد ممکن است رخ دهد:

1- ماده، فوتون را جذب می کند.

این اتفاق زمانی رخ می دهد که فوتون انرژی خود را به الکترون مستقر در ماده می دهد. با استفاده از این انرژی اضافی، الکترون قادر است به سطح انرژی بالاتری منتقل شود، در حالی که فوتون ناپدید می شود.

2- این ماده فوتون را منعکس می کند.

برای انجام این کار، فوتون انرژی خود را به ماده می دهد، اما یک فوتون با انرژی یکسان منتشر می شود.

3- ماده به فوتون اجازه می دهد، بدون تغییر عبور کند.

معروف به پدیده پراكنش، این اتفاق زمانی رخ می دهد که فوتون با هیچ الكترونی تعامل ندارد و تا زمان تعامل با جسم دیگر، مسیر خود را ادامه می دهد.

شیشه در دسته سوم قرار می گیرد. فوتون ها از این مواد عبور می کنند، زیرا انرژی کافی برای تحریک الکترون شیشه برای رسیدن به سطح انرژی بالاتر ندارند. فیزیکدانان گاهی این موضوع را به نظریه نوارها (band theory) ربط می دهند که می گوید، سطح انرژی در مناطقی که به عنوان نوار انرژی شناخته می شوند، در کنار هم هستند. در بین این نوارها، فاصله هایی وجود دارد که در برخی مواد، این فاصله ها بیشتر است. شیشه هم یکی از همین مواد است. یعنی الکترون ها برای رفتن از یک نوار به نوار دیگر به انرژی خیلی بیشتری نیاز دارند. به همین دلیل است که شیشه شفاف به نظر می رسد.