Warum ist Glas transparent?

Photonen passieren Glas, weil sie nicht absorbiert werden. Und sie werden nicht absorbiert, weil es nichts gibt, was Licht in visuellen Frequenzen in Glas "absorbiert". Sie haben vielleicht gehört, dass ultraviolette Photonen von Glas absorbiert werden, daher ist Glas für sie nicht transparent. Genauso verhält es sich mit Röntgenstrahlen, für die unser Körper nahezu durchsichtig ist, während eine Metallplatte ihn absorbiert. Dies ist ein experimenteller Beweis.

Jedes Photon hat eine bestimmte Frequenz – die für sichtbares Licht mit der Lichtfarbe zusammenhängt, während sie für niedrigere oder höhere Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum einfach ein Maß für die vom Photon transportierte Energie ist. Das Absorptionsspektrum eines Materials (welche Frequenzen werden absorbiert und wie stark) hängt von der Struktur des Materials auf atomarer Ebene ab. Die Absorption kann von Atomen erfolgen, die Photonen absorbieren (denken Sie daran, dass Elektronen in höhere energetische Zustände gehen, indem sie Photonen absorbieren), von Molekülen oder von Gittern. Bei diesen Aufnahmemöglichkeiten gibt es wichtige Unterschiede:

1. Atome absorbieren wohldefinierte diskrete Frequenzen. Normalerweise absorbieren einzelne Atome nur wenige Frequenzen – das hängt vom energetischen Spektrum ihrer Elektronen ab. In Bezug auf die Atomabsorption enthält der Absorptionsgraph (als Funktion der Lichtfrequenz aufgetragen) gut definierte Spitzen für Frequenzen, wenn Absorption auftritt, und überhaupt keine Absorption zwischen ihnen.
2. Moleküle absorbieren diskrete Frequenzen, aber es gibt viel mehr Absorptionslinien, weil selbst ein einfaches Molekül viel mehr Energieniveaus hat als jedes Atom. Moleküle absorbieren also viel mehr Licht.
3. Kristallgitter können nicht nur diskrete Frequenzen, sondern auch kontinuierliche Frequenzbänder absorbieren, hauptsächlich aufgrund von Diskrepanzen in der Kristallstruktur.

Da Glas eine nichtkristalline, unterkühlte Flüssigkeit ist, die aus Molekülen besteht, erfolgt seine Absorption auf dem 1. und 2. Weg, aber aufgrund der Materie, aus der es besteht, absorbiert es außerhalb unseres sichtbaren Spektrums.

Im Wesentlichen wegen der Absorption. Wenn ein Photon in das Material einfliegt, interagiert es mit seinen Bestandteilen. Diese Interaktion kann in zwei Beiträge unterteilt werden. Einer von ihnen ist elastisch und ist die Quelle des Brechungsindex (weil er das Photon effektiv nur verlangsamt), während der andere unelastisch ist. Photon wird (sagen wir) von einem Atom absorbiert und später als Wärmestrahlung in zufälliger Richtung emittiert, wodurch die ursprüngliche Information, die es trug, verloren geht.

Wenn Sie dies makroskopisch betrachten, wird dieser Prozess durch einige Parameter wie Eindringtiefe und Intensität beschrieben, während die Tiefe exponentiell abnimmt. Wenn Sie also undurchsichtige Objekte dünn genug gemacht haben, wären sie immer noch transparent (obwohl das ausgehende Licht je nach Dicke schwächer wäre). Bei dieser Diskussion werden natürlich Oberflächeneffekte (Reflexion, Brechung, Streuung usw.) vollständig vermieden.

Beachten Sie, dass all dies von der Frequenz des einfallenden Lichts abhängt. Atome (reden wir einfach der Einfachheit halber darüber; in Wirklichkeit wird es auch einen Beitrag von Molekülen, Gittern, freien Elektronen und so weiter geben) haben ein sogenanntes Absorptionsspektrum. Dies entsteht, weil Elektronen bei bestimmten Frequenzen das Photon einfangen und in den höheren Energiezustand angeregt werden können. Während also ein Material in bestimmten Frequenzbereichen transparent sein kann (wie Glas für sichtbares Licht), kann es in anderen ziemlich undurchsichtig sein.

Das mag ein wenig technisch sein, aber ich fand es immer cool: Einer meiner Professoren hat einmal darauf hingewiesen, dass Transparenz nur entsteht, weil das Material eine (annähernd) lineare Dialektik über den Frequenzbereich ist, der Ihnen wichtig ist. Es stellt sich heraus, dass Wasser über genau den Frequenzbereich, den unsere Augen erkennen können, ein lineares Dielektrikum ist. Zufall?

Es gibt viel Unsinn darüber. Es ist KEINE sehr dicke, steife oder kalte Flüssigkeit, noch liegt es daran, wie geordnet die Struktur ist. Vereinfacht gesagt dreht sich alles um die Elektronen in der Substanz. Wenn Lichtphoton in eine Substanz eindringt, interagiert es mit einem Elektron, das seinen Energiezustand ändert.

KERNPUNKT – Elektronen können nur in festen (gebänderten) Energieniveaus existieren.

Bei gewöhnlichem undurchsichtigem Material ist eine kleine Menge Energie erforderlich, um das Elektron von seinem Ruhezustand in einen höheren Energiezustand zu bringen, sodass das niederenergetische Photon des sichtbaren Lichts absorbiert wird und seine Energie auf das Elektron überträgt, das sich wiederum zu a bewegt etwas höheren Energiezustand.

In viel seltenerem transparentem Material ist der Abstand zwischen dem Ruheenergieniveau der Elektronen und dem nächsthöheren Zustand viel viel größer. Da das Elektron also nur "ruhen" oder NIEMALS auf einem hohen Energieniveau dazwischen sein kann, trägt das kleine Photon des sichtbaren Lichts nicht genug Energie, um es auf das Elektron zu übertragen, damit es in den höheren Zustand springt. So behält es seine Kraft, wird nicht absorbiert und durchdringt das Material. Hey presto, durchschauen.

Manche Gläser lassen nur Licht einer bestimmten Farbe durch. Dies liegt daran, dass verschiedenfarbiges Licht unterschiedliche Energieniveaus hat und abhängig von der Energie, die benötigt wird, um Elektronen in einen höheren Energiezustand zu „bewegen“, einige Farben stark genug sind und absorbiert werden und andere nicht und passieren werden

ANMERKUNG, ich vereinfache ein wenig, zum Beispiel „passiert“ es nicht buchstäblich als solches, die Art und Weise, wie Elektron und Photon interagieren, ist quantenmechanisch und nichts davon beinhaltet Polarisation, Reflexion usw., die alle auf einem Quant funktionieren eben. Auf der Makroebene gesagt, ohne die Quantendetails (die zu lehren Jahre dauern würde) ist dies das, was passiert.

Es gibt keinen Absorptions- und Reemissionsprozess, wenn sich Licht in einem transparenten Medium bewegt. Das Medium absorbiert zwar einen Teil des Lichts, aber es findet keine Reemission statt, oder die Reemission ist so gering, dass sie vernachlässigt werden kann.

Die Absorption bewirkt nicht, dass Elektronen auf höhere Energieniveaus übergehen, sondern ihre kinetische zufällige Bewegung, einschließlich der zufälligen Schwingung des Atoms, erhöht. Dies führt zu einer erhöhten Temperatur des Glases.

Einige fluoreszierende Substanzen absorbieren sichtbares Licht und geben es wieder ab. Wenn dies geschieht, nachdem das sichtbare Licht abgeschaltet wurde, sendet die Materie für eine Weile ihr eigenes Licht aus. Dies beinhaltet den Übergang der Elektronenenergieniveaus.

Diese Antwort ist ein wenig kreisförmig und wie die von Burley. Transparente Materialien haben eine gleichmäßige elektromagnetische Kopplung zwischen ihren Molekülen. Stellen Sie sich Glas als eine einheitliche Anordnung winziger Kondensatoren vor.