Скло прозоре, бо одночасно майже не поглинає видиме світло й не розсіює його всередині. Деревина провалює обидві умови: світло багато разів змінює напрямок на межах її клітин, а частину променів поглинає лігнін. Тому крізь шибку видно предмети, а крізь дерев’яну раму — ні.
Прозорість — це властивість матеріалу пропускати світло майже без втрат: він не поглинає видимі фотони й не збиває їх з прямого шляху. Достатньо порушити одну з цих умов — і тіло стає кольоровим або матово-білим, хоча сама речовина може лишатися тією самою.
Вікно і дерев’яна рама поруч показують два різні способи взаємодії зі світлом. Ті самі оптичні правила пояснюють фізику вдома — від морозилки до віконної шибки.
Дві умови, без яких скло не було б прозорим
Матеріал прозорий лише тоді, коли світло не поглинається і не розсіюється в ньому. Поглинання забирає фотон із променя: його енергія передається речовині. Розсіювання не обов’язково знищує світло, але розвертає промені в різні боки, тож око вже не складає з них чіткого зображення.
Це різні процеси, хоча наслідок для спостерігача схожий. Лід може бути прозорим, а сніг із тієї самої води — білим: між кристаликами льоду й повітрям є безліч меж, на яких світло розсіюється. У склі таких меж майже немає; у деревині їх дуже багато.
Отже, прозорість не означає, що в речовині «мало атомів». Вона залежить від того, чи здатні атоми забрати енергію фотона і чи є в матеріалі неоднорідності, які зіб’ють промінь із дороги.
Чому видиме світло не поглинається склом
Щоб фотон поглинувся, його енергія має відповідати дозволеному електронному переходу в речовині. Основа скла — діоксид кремнію SiO₂ — має заборонену зону близько 8,9 еВ. Видимі фотони несуть лише 1,63–3,26 еВ, тож навіть найенергійнішому фіолетовому фотону бракує енергії для такого переходу.
Саме тому скло не забирає більшість видимого світла. Воно не порожнє і не «невидиме»: електромагнітна хвиля взаємодіє з його атомами, але в цьому діапазоні не залишає в матеріалі енергію як поглинання.
| Діапазон випромінювання | Довжина хвилі | Енергія фотона | Що робить кварцове скло |
|---|---|---|---|
| Далекий ультрафіолет | Поблизу краю пропускання | Вища, ніж у видимого світла | Поглинання швидко зростає |
| Видиме світло | Приблизно 380–760 нм | 1,63–3,26 еВ | Переважно пропускає |
| Інфрачервоне випромінювання | Довше 3,5–4,0 мкм | Менше 0,35 еВ | Переважно поглинає |
Таблиця описує чисте кварцове скло. Звичайна віконна шибка містить також оксиди натрію, кальцію, магнію та алюмінію, тому її межі пропускання не цілком збігаються з лабораторним кварцом.
Чому скло майже не розсіює світло
Світло мало розсіюється в склі, бо воно є суцільним аморфним матеріалом без зерен і меж між ними. Атоми кремнію й кисню утворюють безперервну випадкову сітку тетраедрів: близькі сусіди впорядковані, але далекої періодичності, як у кристалі, немає.
Така «випадковість» не створює великих порожнин чи окремих крупинок. Для світла скло достатньо однорідне: всередині немає мільйонів поверхонь, на яких промінь постійно заломлювався б і втрачав напрямок. Звичайне віконне скло приблизно на 70 % складається з SiO₂, а інші оксиди змінюють його властивості, не перетворюючи масу на суміш непрозорих частинок.
Де прозорість скла закінчується
Скло прозоре не для всього спектра, а для обмеженої смуги хвиль. У короткохвильовому ультрафіолеті випромінювання починає сильно взаємодіяти з електронами зв’язків Si–O та зі структурними дефектами. У далекому ультрафіолеті поглинання різко зростає, а точне положення краю пропускання залежить від чистоти й технології виготовлення скла.
Домішки, зокрема іони заліза, хрому й титану, можуть зміщувати край поглинання ближче до видимого діапазону. Звичайне віконне скло затримує майже весь короткохвильовий ультрафіолет, а довгохвильовий пропускає значною мірою. Це лише оптична властивість матеріалу: для людського ока шибка все одно лишається прозорою.
На іншому кінці спектра скло поглинає теплове інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль понад 3,5–4,0 мкм. Там резонують коливання містків Si–O–Si, і енергія випромінювання переходить у рух атомів. Цей механізм допомагає теплу накопичуватися в теплиці або в нагрітому на сонці салоні автомобіля.
Чому навіть чиста шибка не пропускає все
Навіть ідеально чисте скло не передає весь видимий потік. На межі повітря і натрій-кальцієвого скла з показником заломлення приблизно 1,52 одна поверхня відбиває близько 4,3 % світла. Після двох поверхонь шибки лишається орієнтовно 92 % світла, тому вікно вдень трохи віддзеркалює кімнату або вулицю.
Усередині скла світло рухається приблизно зі швидкістю 197 000 км/с, а не майже 300 000 км/с, як у вакуумі. Це уповільнення не є поглинанням: світло виходить з іншого боку, проте змінює напрямок на межі середовищ. Саме так виникає заломлення.
Що робить деревину непрозорою
Деревина непрозора передусім через межі між клітинними стінками та повітрям у внутрішніх порожнинах клітин — люменах. У міліметровому фрагменті деревини світло зустрічає безліч таких меж. Кожна з них трохи відхиляє промінь, а разом вони перетворюють чіткий напрямлений потік на розсіяне світло.
- Розсіювання на межах клітин. Показник заломлення повітря дорівнює приблизно 1,0, тоді як для целюлози й геміцелюлоз він близький до 1,53, а для лігніну — до 1,61. У зразках бальси товщина клітинних стінок становила 0,8–2,0 мкм, а діаметр люменів — 18–38 мкм.
- Неоднорідність самих стінок. У клітинній стінці целюлозні нанофібрили розміщені в матриці з лігніну та геміцелюлоз. Їхні оптичні властивості різняться, тому додаткове розсіювання виникає вже всередині стінки.
- Поглинання лігніном. Лігнін поглинає ультрафіолет у межах 250–400 нм, а його ненасичені групи забирають і частину видимого світла. Саме вони надають деревині брунатного відтінку.
Для масштабу: у хвойній деревині целюлоза становить 40–45 % сухої маси, геміцелюлози — 15–25 %, а лігнін — 26–34 %. Це не рівна оптична маса, а складна мережа волокон, стінок, порожнин і речовин із різною взаємодією зі світлом.
Прозора деревина як доказ
Лабораторна прозора деревина показує, що проблема не в самій назві матеріалу. Дослідники прибирають із деревного шаблону лігнін, а порожнини заповнюють полімером із показником заломлення, близьким до показника клітинних стінок. Так вони послаблюють і поглинання, і сильне розсіювання на межах.
Перші прозорі зразки деревини описали ще 1992 року. У роботі 2016 року делігніфікований нанопористий шаблон деревини дав до 85 % пропускання світла за 71 % розсіювання. Це не прозорість віконної шибки: світло крізь такий матеріал проникає добре, але зображення за ним лишається розмитим.
Отже, скло й дерево — не протилежності за однією ознакою. Скло пропускає видиме світло, бо в ньому майже немає ані поглинання, ані сильного розсіювання. У деревині працюють обидві перешкоди, і дослід із прозорою деревиною дозволяє побачити їх окремо.
