Правда ли, что стекло – это жидкость? И почему мы видим сквозь него?

Слышали, что стекло – это жидкость? Это не совсем так.

Стекло – довольно интересный материал, независимо от того, увлекаетесь ли вы аморфными твердыми телами или просто любите смотреть на улицу из окна. Но как оно устроено на атомном уровне? Почему мы можем видеть сквозь него, в то время как сквозь металлы – нет? И что вообще такое стекло?

Содержание

Жидкость или твердое тело?

Часто можно услышать «факт» о том, что стекло на самом деле является жидкостью, но движется слишком медленно, чтобы мы это заметили. Обычно этот «факт» сопровождается утверждением, что витражи в старых церквях и соборах толще внизу из-за того, что стекло стекает вниз под действием силы тяжести на протяжении веков. Это не совсем так. На самом деле, у стекла много общего и с жидкостями, и с твердыми телами.

Существует множество видов стекла, но проще всего рассмотреть диоксид кремния (SiO2), основной компонент большинства стекол. При нагревании кварцевого песка он плавится в жидкость. В жидком состоянии отдельные молекулы могут свободно перемещаться внутри материала. Но если охладить его достаточно быстро, в отличие от металлов и других твердых тел, оно не образует упорядоченных кристаллических структур.

“При охлаждении жидкости ее вязкость обычно увеличивается; но повышение вязкости препятствует кристаллизации. Обычно, когда жидкость охлаждается ниже точки замерзания, образуются кристаллы, и она затвердевает; но иногда она может переохладиться, оставаясь жидкой ниже точки плавления, потому что нет центров кристаллизации”, – объясняет Филип Гиббс из Калифорнийского университета в Риверсайде.

“Если вязкость достаточно увеличивается при дальнейшем охлаждении, она может никогда не кристаллизоваться. Вязкость быстро и непрерывно растет, образуя густой сироп, а затем, так называемое, аморфное твердое тело. Молекулы имеют неупорядоченное расположение, но достаточное сцепление для поддержания некоторой жесткости”.

Как утверждается в распространенном заблуждении: в этом состоянии стекло обладает свойствами, похожими на жидкость и твердое тело, но не течет как жидкость.

«В коротких временных масштабах стекло ведет себя как твердое тело. Но жидкостная структура стекла означает, что в течение достаточно длительного периода времени стекло подвергается процессу, называемому релаксацией», – объясняют ученые-материаловеды Джон Мауро и Кейтлин Кирхнер в своей статье.

«Релаксация – это непрерывный, но чрезвычайно медленный процесс, при котором атомы в куске стекла медленно перестраиваются в более стабильную структуру. За 1 миллиард лет типичный кусок стекла изменит форму менее чем на 1 нанометр – это примерно 1/70 000 диаметра человеческого волоса».

Эта аморфная, хаотичная структура позволяет свету проходить сквозь него без особого рассеяния, подобно тому, как свет проходит сквозь воду. Но это не объясняет, почему стекло прозрачно. Для этого нужно обратить внимание на электроны.

Почему мы видим сквозь стекло?

Когда фотон света попадает на твердый материал, на субатомном уровне может произойти несколько вещей. Фотон может быть поглощен материалом, обычно нагревая его своей энергией. В этом случае фотон фактически исчезает, то есть нет ни отражения, ни прохождения света сквозь материал, как в случае со стеклом и другими прозрачными твердыми телами.

Фотон также может быть отражен. Это происходит (очень упрощенно говоря, поскольку электромагнетизм, как известно, довольно сложен), когда фотон на мгновение поглощается, а затем испускается фотон той же длины волны.

В обоих этих случаях, благодаря поглощению, свет не проходит сквозь объект.

Однако свет может проходить сквозь определенные материалы без изменений, что называется пропусканием. Если энергия падающего фотона недостаточна для возбуждения электронов до более высокого энергетического уровня, фотон не поглощается, а проходит сквозь материал. В большинстве материалов видимого света достаточно для возбуждения электронов, поэтому они не прозрачны. Но в стекле зазоры между возможными энергетическими уровнями достаточно велики, чтобы видимый свет не мог возбудить электроны.

Хотя стекло пропускает видимый свет, ультрафиолетовый свет обладает достаточной энергией для возбуждения электронов, поэтому многие из этих длин волн не проходят сквозь стекло, что и придает стеклу некоторые УФ-фильтрующие свойства.