Стекло прозрачно, потому что почти не поглощает видимый свет и почти не рассеивает его в своём объёме. В древесине оба условия нарушены: лучи много раз меняют направление на границах клеток, а часть света поглощает лигнин. Поэтому через оконное стекло видны предметы, а через деревянную раму — нет.
Прозрачность — это свойство материала пропускать свет почти без потерь: он не поглощает видимые фотоны и не сбивает их с прямого пути. Достаточно нарушить одно из этих условий, чтобы вещество стало цветным или матово-белым, хотя его химический состав может остаться тем же.
Окно и деревянная рама рядом показывают два разных способа взаимодействия со светом. Те же оптические законы объясняют физику дома — от морозильной камеры до оконного стекла.
Два условия прозрачности стекла
Материал прозрачен только тогда, когда свет почти не поглощается и не рассеивается в нём. При поглощении фотон исчезает из светового потока, а его энергия передаётся веществу. Рассеяние не обязательно уничтожает свет, но направляет лучи в разные стороны, поэтому глаз уже не собирает из них чёткое изображение.
Это разные процессы, хотя для наблюдателя результат похож. Лёд может быть прозрачным, а снег из той же воды — белым: между кристалликами льда и воздухом множество границ, на которых свет рассеивается. В стекле таких границ почти нет, а в древесине их очень много.
Значит, прозрачность не говорит о том, что в веществе «мало атомов». Она зависит от того, могут ли атомы поглотить энергию фотона и есть ли в материале неоднородности, которые собьют луч с пути.
Почему стекло не поглощает видимый свет
Видимый свет проходит через стекло, потому что энергии его фотонов недостаточно для разрешённого электронного перехода в основном компоненте стекла — диоксиде кремния SiO₂. Чтобы фотон поглотился, его энергия должна совпасть с таким переходом. Запрещённая зона SiO₂ составляет около 8,9 эВ, тогда как видимые фотоны несут лишь 1,63–3,26 эВ.
Поэтому даже фиолетовым фотонам — самым энергичным в видимом диапазоне — не хватает энергии для такого перехода. Стекло не пустое и не «невидимое»: электромагнитная волна взаимодействует с его атомами, но в этом диапазоне энергия излучения не поглощается веществом.
| Диапазон излучения | Длина волны | Энергия фотона | Что делает кварцевое стекло |
|---|---|---|---|
| Дальний ультрафиолет | Вблизи края пропускания | Выше, чем у видимого света | Поглощение быстро возрастает |
| Видимый свет | Примерно 380–760 нм | 1,63–3,26 эВ | Преимущественно пропускает |
| Инфракрасное излучение | Длиннее 3,5–4,0 мкм | Менее 0,35 эВ | Преимущественно поглощает |
Таблица относится к чистому кварцевому стеклу. В обычном оконном стекле также содержатся оксиды натрия, кальция, магния и алюминия, поэтому его границы пропускания отличаются от границ чистого кварцевого стекла.
Почему стекло почти не рассеивает свет
Стекло почти не рассеивает свет, поскольку это однородный аморфный материал без зёрен и границ между ними. Атомы кремния и кислорода образуют непрерывную неупорядоченную сетку тетраэдров: ближайшие соседи упорядочены, но дальнего порядка, как у кристалла, нет.
Такая структура не создаёт больших пустот или отдельных крупинок. Для света стекло достаточно однородно: внутри нет миллионов поверхностей, на которых луч постоянно преломлялся бы и терял направление. Обычное оконное стекло примерно на 70% состоит из SiO₂; другие оксиды меняют его свойства, но не делают стекло смесью непрозрачных частиц.
Где заканчивается прозрачность стекла
Стекло прозрачно не во всём спектре, а лишь в ограниченной полосе длин волн. В коротковолновом ультрафиолете излучение начинает сильно взаимодействовать с электронами связей Si–O и со структурными дефектами. В дальнем ультрафиолете поглощение резко возрастает, а точное положение края пропускания зависит от чистоты и технологии изготовления стекла.
Примеси, например ионы железа, хрома и титана, могут сдвигать край поглощения ближе к видимой области. Обычное оконное стекло задерживает почти весь коротковолновый ультрафиолет, но в значительной мере пропускает длинноволновый. Это оптическое свойство материала: для человеческого глаза стекло всё равно остаётся прозрачным.
На другом конце спектра стекло поглощает тепловое инфракрасное излучение с длинами волн больше 3,5–4,0 мкм. Там резонируют колебания мостиков Si–O–Si, и энергия излучения переходит в движение атомов. Из-за этого теплица или нагретый солнцем салон автомобиля дольше удерживают тепло.
Почему даже чистое стекло пропускает не всё
Даже идеально чистое стекло пропускает не весь видимый свет. На границе воздуха и обычного натрий-кальций-силикатного стекла с показателем преломления около 1,52 одна поверхность отражает примерно 4,3% света. После двух поверхностей стекла остаётся примерно 92% света, поэтому окно днём немного отражает комнату или улицу.
Внутри стекла свет движется со скоростью около 197 000 км/с, а не почти 300 000 км/с, как в вакууме. Это замедление не означает поглощения: свет выходит с другой стороны, но меняет направление на границе сред. Так возникает преломление.
Почему древесина непрозрачна
Древесина непрозрачна прежде всего из-за границ между клеточными стенками и воздухом во внутренних полостях клеток — люменах. В миллиметровом фрагменте древесины свет встречает множество таких границ. Каждая немного отклоняет луч, а вместе они превращают направленный поток в рассеянный свет.
- Рассеяние на границах клеток. Показатель преломления воздуха равен примерно 1,0, а у целлюлозы и гемицеллюлоз он близок к 1,53, у лигнина — к 1,61. В образцах бальсы толщина клеточных стенок составляла 0,8–2,0 мкм, а диаметр люменов — 18–38 мкм.
- Неоднородность самих стенок. В клеточной стенке целлюлозные нанофибриллы находятся в матрице из лигнина и гемицеллюлоз. Их оптические свойства различаются, поэтому дополнительное рассеяние возникает уже внутри стенки.
- Поглощение лигнином. Лигнин поглощает ультрафиолет в диапазоне 250–400 нм, а его ненасыщенные группы также поглощают часть видимого света. Именно они придают древесине буроватый оттенок.
Для сравнения: в хвойной древесине целлюлоза составляет 40–45% сухой массы, гемицеллюлозы — 15–25%, а лигнин — 26–34%. Это не однородная оптическая масса, а сложная сеть волокон, стенок, полостей и веществ, по-разному взаимодействующих со светом.
Прозрачная древесина как доказательство
Эксперименты с прозрачной древесиной показывают, что дело не в названии материала. Исследователи удаляют лигнин из древесного каркаса, а полости заполняют полимером с показателем преломления, близким к показателю клеточных стенок. Так они ослабляют и поглощение, и сильное рассеяние на границах.
Первые прозрачные образцы древесины были описаны исследователями ещё в 1992 году. В работе 2016 года делигнифицированный нанопористый древесный каркас обеспечил до 85% пропускания света при 71% рассеяния. Это не прозрачность оконного стекла: свет через такой материал проходит хорошо, но изображение за ним остаётся размытым.
Стекло и дерево по-разному взаимодействуют со светом. Стекло пропускает видимый свет, потому что в нём почти нет ни поглощения, ни сильного рассеяния. В древесине действуют оба препятствия, а опыт с прозрачной древесиной позволяет увидеть их по отдельности.
