Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao kính lại trong suốt đến vậy? Trong khi đó, gỗ, kim loại và nhiều vật liệu khác lại hoàn toàn непрозрачный? Bài viết này sẽ đi sâu vào cấu trúc vi mô của kính để giải mã bí ẩn này, đồng thời giúp bạn hiểu rõ hơn về cách ánh sáng tương tác với vật chất.
Một quan niệm sai lầm phổ biến là kính là một chất lỏng siêu nhớt, và các nguyên tử trong kính nằm cách xa nhau nên ánh sáng có thể "len lỏi" qua. Tuy nhiên, đây là một hiểu lầm. Kính thực chất là một loại chất rắn đặc biệt, được gọi là chất rắn vô định hình.
Trong chất rắn vô định hình, các nguyên tử và phân tử bị khóa tại chỗ, nhưng thay vì tạo thành các tinh thể trật tự, chúng sắp xếp ngẫu nhiên. Điều này khiến kính có độ cứng cơ học như chất rắn, nhưng lại có sự sắp xếp молекулярный hỗn loạn như chất lỏng. Chất rắn vô định hình hình thành khi một chất rắn được nung chảy ở nhiệt độ cao và sau đó làm nguội nhanh chóng – một quá trình gọi là làm nguội.
Kính oxit, loại kính thương mại mà bạn thấy trong kính tấm, chai lọ và bóng đèn, có một đặc tính quan trọng khác: Nó trong suốt đối với một dải bước sóng gọi là ánh sáng nhìn thấy. Để hiểu tại sao, chúng ta phải xem xét kỹ hơn cấu trúc nguyên tử của kính và hiểu điều gì xảy ra khi photon – các hạt ánh sáng nhỏ nhất – tương tác với cấu trúc đó.
Hãy nhớ lại rằng các electron bao quanh hạt nhân của một nguyên tử, chiếm các mức năng lượng khác nhau. Để di chuyển từ mức năng lượng thấp hơn lên mức năng lượng cao hơn, một electron phải hấp thụ năng lượng. Ngược lại, để di chuyển từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp hơn, một electron phải giải phóng năng lượng. Trong cả hai trường hợp, electron chỉ có thể hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng theo các gói rời rạc.
Bây giờ, hãy xem xét một photon di chuyển về phía và tương tác với một chất rắn. Một trong ba điều có thể xảy ra:
Kính, tất nhiên, thuộc loại thứ ba này. Photon đi qua vật liệu vì chúng không có đủ năng lượng để kích thích một electron kính lên mức năng lượng cao hơn. Các nhà vật lý đôi khi nói về điều này theo lý thuyết vùng năng lượng, trong đó các mức năng lượng tồn tại cùng nhau trong các vùng được gọi là vùng năng lượng. Giữa các vùng này là các vùng, được gọi là khoảng cách vùng năng lượng, nơi các mức năng lượng cho electron hoàn toàn không tồn tại.
Một số vật liệu có khoảng cách vùng năng lượng lớn hơn những vật liệu khác. Kính là một trong những vật liệu đó, có nghĩa là các electron của nó cần nhiều năng lượng hơn trước khi chúng có thể chuyển từ vùng năng lượng này sang vùng năng lượng khác và quay trở lại. Photon của ánh sáng nhìn thấy – ánh sáng có bước sóng từ 400 đến 700 nanomet, tương ứng với các màu tím, chàm, lam, lục, vàng, cam và đỏ – đơn giản là không có đủ năng lượng để gây ra sự "nhảy" này. Do đó, photon của ánh sáng nhìn thấy di chuyển qua kính thay vì bị hấp thụ hoặc phản xạ, khiến kính trong suốt.
Ở bước sóng nhỏ hơn ánh sáng nhìn thấy, photon bắt đầu có đủ năng lượng để di chuyển các electron kính từ vùng năng lượng này sang vùng năng lượng khác. Ví dụ, tia cực tím, có bước sóng từ 10 đến 400 nanomet, không thể đi qua hầu hết các loại kính oxit, chẳng hạn như kính trong cửa sổ. Điều này làm cho một cửa sổ, không cho tia cực tím xuyên qua, tương tự như gỗ chặn ánh sáng thường.
Vậy là bạn đã biết, sự trong suốt của kính là kết quả của cấu trúc nguyên tử đặc biệt và cách nó tương tác với ánh sáng. Hi vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn về một trong những vật liệu quen thuộc nhất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Hãy tiếp tục khám phá thế giới khoa học xung quanh bạn!
Bài viết liên quan