¿Qué hace de cristal transparente?

Mujer mirando por la ventana de vidrio

Esa ventana de vidrio está haciendo lo que mejor sabe hacer - mantenimiento de las inclemencias del tiempo mientras que todavía permite que la luz pase a través.

¿Qué hace de cristal transparente?

Alguna vez ver una casa ¿siendo construido? Carpinteros primera erigen el esqueleto básico de la estructura utilizando de dos por cuatro postes. Luego se clavan revestimiento, normalmente de madera contrachapada, a los postes para hacer las paredes. La mayoría de las paredes incluyen una abertura de la ventana, que tiene una hoja de vidrio situada dentro de un marco. Ventanas hacer una casa se sienta brillante, cálido y acogedor, ya que permiten que entre la luz. Pero ¿por qué una ventana de cristal ser más transparente que la madera que lo rodea? Después de todo, ambos materiales son sólidos, y ambos mantienen fuera lluvia, la nieve y el viento. Sin embargo, la madera es opaco y bloquea la luz por completo, mientras que el vidrio es transparente y permite que la corriente sol a través de obstáculos.

Usted puede haber oído a algunas personas - incluso algunos libros de ciencia - tratan de explicar esto diciendo que la madera es un verdadero y sólido que el vidrio es un líquido altamente viscoso. Luego van a argumentar que los átomos en el vidrio se extienden más separados y que estos vacíos permiten exprimir la luz a través. Incluso pueden apuntar a las ventanas de las casas centenarias, que a menudo se ven onduladas y desigual de espesor, como prueba de que las ventanas han "corrido" en los últimos años como el lento arrastre de la melaza en un día frío.


En realidad, el vidrio no es un líquido en absoluto. Es un tipo especial de sólido conocido como sólido amorfo. Este es un estado de la materia en la que los átomos y moléculas están bloqueados en su lugar, pero en lugar de formar cristales aseado, ordenado, que se disponen de forma aleatoria. Como resultado, los vasos son mecánicamente rígida como sólidos, sin embargo, tener la disposición desordenada de moléculas como líquidos. Se forman cuando una sustancia sólida se funde a altas temperaturas y luego se enfrió rápidamente Los sólidos amorfos - un proceso conocido como temple.

En muchos sentidos, los vidrios son como la cerámica y tienen todas sus propiedades: resistencia, fuerza y ​​fragilidad, de alta resistencia eléctrica y térmica, y la falta de reactividad química. Vidrio de óxido, como el vidrio comercial que se encuentra en la hoja y vidrio plano, envases y bombillas, tiene otra propiedad importante: Es transparente para una gama de longitudes de onda conocidas como la luz visible. Para entender por qué, hay que tener una mirada más cercana a la estructura atómica del cristal y entender lo que sucede cuando los fotones - las partículas más pequeñas de la luz - interactúan con esa estructura.

Lo haremos a continuación.

¿Qué hace de cristal transparente?

Electron para fotones: Usted no me excitan

En primer lugar, recordar que los electrones rodean el núcleo de un átomo, ocupando diferentes niveles de energía. Para pasar de un menor a un mayor nivel de energía, un electrón debe ganar energía. En contraposición, para pasar de un superior a un nivel de energía más bajo, un electrón debe renunciar a la energía. En cualquier caso, el electrón sólo puede ganar o liberar energía en paquetes discretos.


Ahora vamos a considerar un fotón se mueve hacia y la interacción con una sustancia sólida. Una de las tres cosas pueden suceder:

  1. La sustancia absorbe el fotón. Esto ocurre cuando el fotón cede su energía a un electrón situado en el material. Armado con esta energía extra, el electrón es capaz de pasar a un nivel de energía más alto, mientras que el fotón desaparece.
  2. La sustancia refleja el fotón. Para ello, el fotón cede su energía al material, sino un fotón de energía idéntica se emite.
  3. La sustancia permite que el fotón pase a través sin cambios. Conocido como la transmisión, esto sucede porque el fotón no interactúa con cualquier electrón y continúa su recorrido hasta que interactúa con otro objeto.

Cristal, por supuesto, pertenece a esta última categoría. Los fotones pasan a través del material, ya que no tienen la energía suficiente para excitar un electrón de vidrio a un nivel de energía más alto. Los físicos a veces hablan de esto en términos de teoría de bandas, que dice existen niveles de energía juntos en regiones conocidas como bandas de energía. Entre estas bandas son regiones, conocidas como separaciones de banda, donde no existen niveles de energía de los electrones en absoluto. Algunos materiales tienen separaciones de banda más grandes que otros. El vidrio es uno de esos materiales, que significa que sus electrones requieren mucha más energía antes de que puedan saltar de una banda de energía a otro y viceversa. Los fotones de visible luz -- la luz con longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros, que corresponden a los colores violeta, añil, azul, verde, amarillo, naranja y rojo - simplemente no tienen suficiente energía para causar este saltar. En consecuencia, los fotones de la luz visible viajan a través del vidrio en lugar de ser absorbida o reflejada, la fabricación de vidrio transparente.

En longitudes de onda más pequeñas que la luz visible, los fotones empiezan a tener la energía suficiente para mover electrones de vidrio de una banda de energía a otro. Por ejemplo, la luz ultravioleta, que tiene una longitud de onda que van desde 10 a 400 nanómetros, no puede pasar a través de la mayoría de los vidrios de óxidos, tales como el vidrio en un cristal de ventana. Esto hace que una ventana, incluyendo la ventana de nuestra casa hipotética en construcción, como opaco a la luz ultravioleta como la madera es a la luz visible.

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