Zašto je staklo providno, a pesak nije? Odgovor se krije u kvantnoj fizici

Staklo je svuda oko nas – na prozorima, automobilima, ekranima telefona, čašama i brojnim drugim predmetima. Toliko smo navikli da gledamo kroz njega da se retko zapitamo zbog čega je uopšte providno.

Odgovor je zanimljiviji nego što se čini i vodi pravo do kvantne fizike.

Osnovni sastojak većine običnog stakla je silicijum-dioksid, jedinjenje koje se nalazi i u kvarcnom pesku. Ipak, gomila peska nije providna poput prozorskog stakla. Razlog nije samo u materijalu, već i u njegovoj strukturi i načinu na koji svetlost prolazi kroz njega.

Šta se događa kada svetlost udari u predmet

Da bismo razumeli staklo, prvo treba razumeti šta se događa sa svetlošću kada naiđe na neki materijal. Svetlost možemo posmatrati kao tok fotona, odnosno čestica koje nose određenu količinu energije. Kada foton naiđe na materijal, može da stupi u interakciju sa elektronima u njemu.

Elektroni, međutim, ne mogu da prime bilo koju proizvoljnu količinu energije. Da bi prešli u više energetsko stanje, moraju da dobiju odgovarajuću količinu energije.

U mnogim neprovidnim materijalima svetlost se apsorbuje ili rasipa, pa kroz njih ne možemo da vidimo. Deo svetlosti odbija se od površine i upravo zahvaljujući toj reflektovanoj svetlosti vidimo predmet i njegovu boju.

Zašto svetlost prolazi kroz staklo

Kod stakla je situacija drugačija. Energija fotona vidljive svetlosti uglavnom nije dovoljna da izazove odgovarajuće elektronske prelaze u materijalu. Zbog toga veliki deo vidljive svetlosti nije apsorbovan i može da nastavi da prolazi kroz staklo.

Naravno, fotoni ne prolaze bukvalno kroz staklo „kao da ono ne postoji“. Svetlost stupa u interakciju sa materijalom, zbog čega se, između ostalog, menja njena brzina i dolazi do prelamanja. Deo svetlosti se takođe reflektuje, što lako možemo da primetimo na svakom prozoru.

Ipak, dovoljno vidljive svetlosti prolazi kroz staklo da predmete sa druge strane možemo jasno da vidimo.

Ako su staklo i pesak slični, zašto ne možemo da gledamo kroz pesak?

Tu se pojavljuje još jedan važan detalj. Pojedinačna zrna čistog kvarca mogu da propuštaju svetlost, ali gomila peska sastoji se od ogromnog broja nepravilnih zrna i površina. Svetlost se na granicama između zrna i vazduha neprestano prelama, odbija i rasipa u različitim pravcima.

Zbog tog intenzivnog rasipanja kroz gomilu peska ne možemo jasno da vidimo, iako je njen glavni sastojak hemijski povezan sa materijalom od kojeg se pravi obično staklo.

Sličan efekat može da se vidi i kod razbijenog ili veoma izgrebanog stakla, koje više nije tako providno kao glatka staklena ploča.

Staklo nije providno za svaku vrstu svetlosti

Još zanimljivije je što providnost zavisi i od talasne dužine svetlosti.

Materijal koji je providan za naše oči ne mora podjednako dobro da propušta ultraljubičasto ili infracrveno zračenje. Obično prozorsko staklo, na primer, blokira veliki deo UV zračenja određenih talasnih dužina, dok vidljivu svetlost uglavnom propušta.

Zbog toga je običan prozor mnogo više od jednostavne providne prepreke.

Svaki put kada pogledamo kroz staklo, pred nama se odvija mala demonstracija pravila kvantne fizike: fotoni vidljive svetlosti prolaze kroz materijal upravo zato što njihova energija ne odgovara energetskim prelazima koje bi elektroni u staklu mogli da naprave.

(komputerswiat.pl)